KR20140090152A - 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작업기의 부하의 변동에 관계없이, 복합 동작의 조작성을 확보한 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다. 선회체와, 선회체에 걸친 작업기와, 선회체에 탑재한 엔진과, 엔진에 의해 구동되어 발전 가능한 제1 전동기와, 엔진과 제1 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체를 구동하기 위한 제2 전동기와, 복수의 축전 디바이스를 갖는 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 작업기와 상기 선회체가 복합적으로 동작할 때에 제2 전동기를, 복수의 축전 디바이스 중, 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스와, 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해 구동 제어하고, 유압 펌프를, 상기 엔진에 의해 구동 제어하는 제1 제어부를 구비하였다.

Description

하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법 {HYBRID CONSTRUCTION MACHINE AND METHOD FOR CONTROLLING SAME}

본 발명은 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 엔진에 의해 구동되어 유압 펌프 어시스트용 발전 전동기와, 선회체 구동용 전동기와, 축전 장치를 구비한 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

유압 셔블 등의 선회체를 갖는 건설 기계는, 종래, 엔진으로 유압 펌프를 구동하고, 유압 펌프로부터 토출되는 유압으로 유압 모터를 회전하고, 관성체인 선회체를 구동하는 것이 주류였지만, 최근에 들어서, 엔진의 연비 향상, 소음 레벨의 저감 및 배기 가스량의 저감 등을 도모하기 위해, 엔진에 의해 구동되어 발전 가능한 발전 전동기와, 캐패시터나 배터리 등의 축전 장치와, 축전 장치로부터의 전기에너지의 공급을 받아 구동하는 선회체 구동용 전동기를 구비한 하이브리드식 건설 기계가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1에는 선회체 구동용 전동기와 발전 전동 기기의 급전선에 캐패시터와 배터리를 병렬로 접속하여, 급전선으로의 급전 순서를 캐패시터, 발전 전동기, 배터리의 순으로 설정하는 제어 수단을 설치한 건설 기계가 개시되어 있다. 이 특허문헌 1에 기재된 건설 기계는 캐패시터로 선회 제동 시의 회생 전력을 급속하게 회수함으로써 에너지 효율의 향상을 도모함과 함께, 엔진의 소형화를 도모하고 있다.

그런데, 유압 셔블 등의 선회체를 갖는 건설 기계에 있어서는, 선회체를 선회시키면서 붐을 상승시키는 선회 붐 상승 동작 등의 복합 동작이 빈번히 실행된다. 이 복합 동작에 있어서의 선회 붐 상승 동작에 있어서, 붐 부하인 버킷 중량이 변화되면, 선회체의 선회 속도와 붐의 상승 속도의 밸런스가 변화되어, 오퍼레이터의 조작성이 저하되는 경우가 있다. 이 선회체의 선회 속도와 붐의 상승 속도의 밸런스의 변화를 억제하기 위해, 선회 모터의 용량을 제어함으로써, 엔진의 동력을 선회체와 붐에 적절하게 배분하는 건설 기계의 유압 제어 장치가 개시되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).

일본 특허 출원 공개 제2002-242234호 공보 일본 특허 출원 공개 제2011-038298호 공보

하이브리드식 건설 기계는 하나의 동력원인 엔진과 다른 동력원인 발전 전동기를, 유압 펌프의 구동에 사용하는 방식으로, 소위 패러렐 방식의 구동 형태로 구성되어 있다. 이 패러렐 방식에 있어서, 엔진은 발전 전동기도 동시에 구동한다. 발전 전동기의 발전기 작용에 의해 생성된 전력은 축전 장치에 충전된다. 한편, 엔진의 동력을 어시스트할 필요가 있는 경우에는, 축전 장치로부터의 전력이 발전 전동기에 공급된다. 따라서, 패러렐 방식에서는, 엔진 동력과 축전 장치의 동력(전력)의 합에 의해 시스템 전체의 최대 동력(시스템 최대 동력)이 결정된다.

이와 같은 하이브리드 방식의 건설 기계에 있어서, 선회 붐의 상승 동작 등의 복합 동작을 조작성의 저하 없이 행하기 위해서는, 적절한 동력 배분이 필요해진다. 구체적으로는, 붐의 상승 속도를 제어하는 유압 펌프와, 선회체의 선회 속도를 제어하는 선회 전동기로 공급하는 동력에 있어서, 엔진과 축전 장치가 갖는 동력의 적절한 배분 제어가 필요해진다.

특허문헌 1에 기재된 하이브리드식 건설 기계는 급전선으로의 급전 순서를 캐패시터, 발전 전동기, 배터리의 순으로 설정하고 있으므로, 선회체 구동용 전동기로의 전력이 캐패시터만으로는 부족한 경우, 발전 전동기로부터의 전력 공급이 필요해진다. 이 결과, 엔진에는 발전 전동기의 발전 부하와 유압 펌프의 구동 부하가 걸리므로, 연비를 악화시킬 우려가 있다. 또한, 유압 펌프를 구동하기 위해 필요한 출력을 확보할 수 없을 우려가 있다. 이 경우, 조작성을 확보하는 선회체의 선회 속도와 붐의 상승 속도의 밸런스를 양호하게 유지하는 것이 어려워진다.

본 발명은 상술한 사항에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 선회체 구동용 전동기를 갖는 하이브리드 건설 기계에 있어서, 작업기의 부하의 변동에 관계없이, 선회체와, 이 선회체에 걸친 작업기의 복합 동작의 조작성을 확보한 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은 선회체와, 상기 선회체에 걸친 작업기와, 상기 선회체에 탑재한 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전 가능한 제1 전동기와, 상기 엔진과 상기 제1 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 생성된 동력에 의해 상기 작업기를 구동 조작하는 유압 액추에이터와, 상기 선회체를 구동하기 위한 제2 전동기와, 상기 제1 및 제2 전동기를 구동하는 전력의 공급 및 상기 제1 및 제2 전동기에서 생성한 전력의 충전을 행하기 위한 복수의 축전 디바이스를 갖는 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 작업기와 상기 선회체가 복합적으로 동작할 때에 상기 제2 전동기를, 상기 복수의 축전 디바이스 중, 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스와, 상기 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해 구동 제어하여, 상기 유압 펌프를, 상기 엔진에 의해 구동 제어하는 제1 제어부를 구비한 것으로 한다.

또한, 제2 발명은 제1 발명에 있어서, 상기 제2 전동기를, 상기 엔진에 의해 상기 제1 전동기를 발전 구동하여 생성된 전력과, 상기 제1 제어부에서 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해 구동 제어하는 제2 제어부와, 상기 제1 제어부에서 선택된 축전 디바이스의 잔량에 따라서 상기 제1 제어부와 상기 제2 제어부를 전환하는 제어 전환부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제3 발명은 제2 발명에 있어서, 상기 제1 제어부가 선택되어 있는 경우에는 상기 엔진의 엔진 회전수를 제1 회전수로 제어하고, 상기 제2 제어부가 선택되어 있는 경우에는 상기 엔진의 엔진 회전수를 상기 제1 회전수보다도 높은 제2 회전수로 제어하는 엔진 회전수 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제4 발명은 선회체와, 상기 선회체에 걸친 작업기와, 상기 선회체와 상기 작업기를 조작하기 위한 조작 장치와, 상기 선회체에 탑재한 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전 가능한 제1 전동기와, 상기 엔진과 상기 제1 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 생성된 동력에 의해 상기 작업기를 구동 조작하는 유압 액추에이터와, 상기 선회체를 구동하기 위한 제2 전동기와, 상기 제1 및 제2 전동기를 구동하는 전력의 공급 및 상기 제1 및 제2 전동기로 생성한 전력의 충전을 행하기 위한 복수의 축전 디바이스를 갖는 하이브리드식 건설 기계의 제어 방법이며, 상기 조작 장치의 조작 상태에 따라서 상기 작업기와 상기 선회체의 복합적인 동작의 유무를 판단하는 제1 수순과, 상기 수순에 의해 상기 작업기와 상기 선회체의 복합적인 동작으로 판단된 경우에, 상기 제2 전동기를, 상기 복수의 축전 디바이스 중, 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스와, 상기 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해, 구동 제어하는 제2 수순과, 상기 유압 펌프를, 상기 엔진에 의해 구동 제어하는 제3 수순을 실행하는 제1 제어 모드를 구비한 것으로 한다.

또한, 제5 발명은 제4 발명에 있어서, 상기 제2 전동기를, 상기 엔진에 의해 상기 제1 전동기를 발전 구동하여 생성된 전력과, 상기 제1 제어 모드에서 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력으로부터의 전력에 의해 구동 제어하는 제2 제어 모드를 구비하고, 상기 제1 제어 모드에서 선택된 축전 디바이스의 잔량에 따라서 상기 제1 제어 모드와 상기 제2 제어 모드를 전환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제6 발명은 제5 발명에 있어서, 상기 제1 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는 엔진 회전수를 제1 회전수로 제어하고, 상기 제2 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는 엔진 회전수를 상기 제1 회전수보다도 높은 제2 회전수로 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 선회체와 이 선회체에 걸친 작업기가 복합적으로 동작할 때에 배터리(단위 중량당의 출력이 낮고, 축적 에너지가 높은 축전 디바이스)와 캐패시터(단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스)로부터 전력을 선회체 구동용 전동기에 공급하고, 엔진의 동력에 따라서 유압 펌프의 출력을 제어하므로, 선회체를 구동하기 위한 전력과 유압 펌프를 구동하기 위한 동력을 적절하게 확보하는 것이 가능해진다. 이 결과, 선회체와 이 선회체에 걸친 작업기의 복합 동작인 선회 붐 상승 동작에 있어서 선회체의 선회 속도와 붐의 상승 속도의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있으므로, 하이브리드식 건설 기계에 있어서의 복합 동작의 조작성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 적용한 유압 셔블의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 구성하는 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 구성하는 통합 컨트롤러의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.
도 4는 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 직류 전압 제어부와 캐패시터 전압 제어부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 구성하는 배터리의 기능을 설명하는 간이 모델도이다.
도 6은 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 배터리 잔량 추정부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다.
도 7은 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 제어 전환부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다.
도 8은 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 엔진 회전수 제어부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다.
도 9는 도 8의 엔진 회전수 제어부를 구성하는 엔진 회전수 지령 산출 맵의 처리 내용을 도시하는 특성도이다.
도 10은 도 8의 엔진 회전수 제어부를 구성하는 엔진 회전수 지령 산출 맵에 있어서의 엔진 회전수의 상한값의 설정 방법을 나타내는 표이다.
도 11은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 있어서의 선회 동작 시의 제어 방법을 도시하는 타임차트이다.
도 12는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 있어서의 굴삭 동작 시의 제어 방법을 도시하는 타임차트이다.

이하, 하이브리드식 건설 기계로서 유압 셔블을 예로 들어 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 본 발명은 선회체를 구비한 건설 기계 전반(작업 기계를 포함함)에 적용이 가능하고, 본 발명의 적용은 유압 셔블로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 선회체를 구비한 크레인차 등, 그 밖의 건설 기계에도 적용 가능하다. 도 1은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 적용한 유압 셔블의 측면도, 도 2는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 구성하는 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성도, 도 3은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 구성하는 통합 컨트롤러의 처리 내용을 도시하는 기능 블록도이다.

도 1에 있어서, 유압 셔블은 주행체(10)와, 주행체(10) 상에 선회 가능하게 설치한 선회체(20)와, 선회체(20)에 걸친 다관절형의 작업기(30)를 구비하고 있다.

주행체(10)는 한 쌍의 크롤러(11a, 11b) 및 크롤러 프레임(12a, 12b)(도 1에서는 편측만을 도시함), 각 크롤러(11a, 11b)를 독립하여 구동 제어하는 한 쌍의 주행용 유압 모터(13, 14) 및 그 감속 기구 등으로 구성되어 있다.

선회체(20)는 선회 프레임(21)과, 선회 프레임(21) 상에 설치된, 원동기로서의 엔진(22)과, 엔진(22)에 의해 구동되는 발전 가능한 제1 전동기(23)[이하, 어시스트 발전 모터(23)라고 칭함]와, 제2 전동기(25)(이하, 선회 전동 모터라고 칭함)와, 어시스트 발전 모터(23) 및 선회 전동 모터(25)와 전기적으로 접속되는 전기 이중층의 캐패시터(24)와, 리튬 이온 배터리(27)와, 선회 전동 모터(25)의 회전을 감속하는 감속 기구(26) 등으로 구성되어 있다. 그리고, 선회 전동 모터(25)의 구동력이 감속 기구(26)를 통해 전달되고, 그 구동력에 의해 주행체(10)에 대해 선회체(20)[선회 프레임(21)]가 선회 구동한다.

또한, 선회체(20)에는 작업기(30)가 탑재되어 있다. 작업기(30)는 선회체(20)의 선회 프레임(21)에 부앙(俯仰) 이동 가능하게 설치한 붐(31)과, 붐(31)을 구동하기 위한 붐 실린더(32)와, 붐(31)의 선단부 근방에 회전 가능하게 축지지된 아암(33)과, 아암(33)을 구동하기 위한 아암 실린더(34)와, 아암(33)의 선단에 회전 가능하게 축지지된 버킷(35)과, 버킷(35)을 구동하기 위한 버킷 실린더(36) 등으로 구성되어 있다.

또한, 선회체(20)의 선회 프레임(21) 상에는, 상술한 주행용 유압 모터(13, 14), 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 등의 유압 액추에이터를 구동하기 위한 유압 시스템(40)이 탑재되어 있다. 유압 시스템(40)은 유압을 발생하는 유압원이 되는 유압 펌프(41) 및 각 액추에이터를 구동 제어하기 위한 컨트롤 밸브(42)(도 2)를 포함하고, 유압 펌프(41)는 엔진(22)과 어시스트 발전 모터(23)에 의해 구동된다.

다음에, 유압 셔블의 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성에 대해 도 2를 사용하여 개략 설명한다.

엔진(22)의 동력은 어시스트 발전 모터(23)를 통해 유압 펌프(41)로 전달된다. 또한, 컨트롤 밸브(42)는 후술하는 조작 레버로부터의 지령에 따라서, 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 및 주행용 유압 모터(13, 14)로의 동작유의 토출량 및 토출 방향을 제어한다.

캐패시터(24)로부터의 직류 전력은 초퍼(51)에 의해 소정의 직류 전압으로 승압되어, 선회 전동 모터(25)를 구동하기 위한 인버터(52), 어시스트 발전 모터(23)를 구동하기 위한 인버터(53)에 입력된다. 또한, 배터리(27)로부터의 직류 전력은 초퍼(56)에 의해 소정의 직류 전압으로 승압되어, 선회 전동 모터(25)를 구동하기 위한 인버터(52), 어시스트 발전 모터(23)를 구동하기 위한 인버터(53)에 입력된다. 평활 콘덴서(54)는 직류 전압을 안정화시키 위해 설치되어 있다. 선회 전동 모터(25)는 감속 기구(26)를 통해 선회체(20)를 구동하여, 어시스트 발전 모터(23) 및 선회 전동 모터(25)의 구동 상태(역행하고 있는지 회생하고 있는지)에 따라서, 캐패시터(24) 및 배터리(27)는 충방전되게 된다.

통합 컨트롤러(100)는 도시하지 않은 조작 레버 신호, 압력 신호, 회전 속도 신호 등을 사용하여, 엔진 컨트롤 유닛(57)(이하, ECM이라고 칭함), 파워 컨트롤 유닛(55)(이하, PCU라고 칭함), 유압 컨트롤 유닛(80)(이하, MCU라고 칭함)에 대해 지령 신호를 출력하여, 각종 제어 모드의 전환, 선회 제어, 엔진 제어, 에너지 매니지먼트 및 전동 시스템의 이상 감시 등의 제어를 행한다. 또한, 전자 비례 밸브(75)는 MCU(80)로부터의 전기 신호를 유압 신호로 변환하는 디바이스이다. 이 유압 신호는 컨트롤 밸브(42)를 구동하여 각 액추에이터로의 압유의 유량과 방향을 제어한다. 또한, 이 유압 신호는 유압 펌프(41)의 경사판의 틸팅각 구동 장치(도시하지 않음)를 구동하여 유압 펌프(41)의 토출 유량을 제어한다.

다음에, 상술한 통합 컨트롤러(100)의 처리 내용에 대해 도 3을 사용하여 설명한다.

이하에 나타내는 처리의 내용은 통합 컨트롤러(100)에 프로그래밍되어, 미리 정해진 주기로 반복해서 실행된다. 또한, 이후의 설명에 있어서, 각 모터(23, 25)의 출력은 역행측을 양의 값, 회생측(발전측)을 음의 값으로 하여 정의하고, 캐패시터(24)나 배터리(27)의 출력은 방전측을 양의 값, 충전측을 음의 값으로 하여 정의한다.

도 3에 있어서, 직류 전압 제어부(301)는 도 2에 도시하는 PCU(55)로 검출한 직류 전압 Vdc[평활 콘덴서(54)의 양단부 전압]의 값에 따라서, 캐패시터 출력 지령 Pc*을 연산한다. 통합 컨트롤러(100)는 연산된 캐패시터 출력 지령 Pc*을 PCU(55)에 출력한다. PCU(55)는 통합 컨트롤러(100)로부터 출력된 값에 따라서 초퍼(51)의 직류 전력을 제어하고, 직류 전압 Vdc를 소정의 범위 내에서 안정화시킨다. 또한, 직류 전압 제어부(301)의 처리 내용에 대해서는 후술한다.

캐패시터 전압 제어부(302)는 PCU(55)로 검출한 캐패시터(24)의 전압 Vc, 선회 전동 모터(25)의 회전수 Ns와 토크 Ts 및 직류 전압 제어부(301)에서 연산한 캐패시터 출력 지령 Pc*에 따라서, 선회 시 어시스트 출력 Psa*과 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*을 연산한다. 여기서, 선회 시 어시스트 출력 Psa*은, 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24), 배터리(27) 및 어시스트 발전 모터(23)의 전력으로 분담하는 경우에 있어서, 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값을 연산하기 위한 파라미터이다. 또한, 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*은 캐패시터(24)의 전압 Vc를 소정의 범위 내에 수렴시키기 위해, 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값을 보정하기 위한 파라미터이다. 또한, 캐패시터 전압 제어부(302)의 처리 내용에 대해서는 후술한다.

제1 제어부(311)는 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*에 따라서, 제1 배터리 출력 지령 Pb1*과 제1 어시스트 출력 지령 Pa1*을 연산한다. 마찬가지로, 제2 제어부(312)는 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*에 따라서, 제2 배터리 출력 지령 Pb2*과 제2 어시스트 출력 지령 Pa2*을 연산한다. 또한, 제1 제어부(311), 제2 제어부(312)의 처리 내용에 대해서는 후술한다.

배터리 잔량 추정부(313)는 PCU(55)에서 검출한 배터리(27)의 전압 Vb, 전류 Ib, 온도 Tb에 따라서, 배터리 충전 상태 SOC를 연산한다. 또한, 배터리 잔량 추정부(313)의 처리 내용에 대해서는 후술한다.

제어 전환부(314)는 제1 제어부(311), 제2 제어부(312)에서 연산한 제1 배터리 출력 지령 Pb1*과 제1 어시스트 출력 지령 Pa1*, 제2 배터리 출력 지령 Pb2*과 제2 어시스트 출력 지령 Pa2*과, 배터리 잔량 추정부(313)에서 연산한 배터리 충전 상태 SOC에 따라서, 배터리 출력 지령 Pb*, 어시스트 F/F 출력 지령 Paff*을 연산한다. 통합 컨트롤러(100)는 배터리 출력 지령 Pb*을 PCU(55)에 출력한다. PCU(55)는 통합 컨트롤러(100)로부터 출력된 값에 따라서 초퍼(56)의 직류 전력을 제어하고, 배터리(27)의 충방전 전류를 제어한다. 또한, 제어 전환부(314)의 처리 내용에 대해서는 후술한다.

통합 컨트롤러(100)는 제어 전환부(314)에서 연산한 어시스트 F/F 출력 지령 Paff*에, 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*을 가산함으로써, 어시스트 출력 지령 Pa*을 연산한다. 통합 컨트롤러(100)는 어시스트 출력 지령 Pa*을 PCU(55)에 출력한다. PCU(55)는 통합 컨트롤러(100)로부터 출력된 값에 따라서 인버터(53)의 직류 전력을 제어하고, 어시스트 발전 모터(23)의 역행/발전 전력을 제어한다.

또한, 도 3에 있어서, 선회 조작 레버(321)의 입력에 의해 발생되는 유압 파일럿 신호는, 예를 들어 압력 센서와 같은 유압→전기 신호 변환 디바이스(331)에 의해 변환되어, 선회 파일럿압 Pds로서 통합 컨트롤러(100)에 입력된다. 마찬가지로, 작업기(30)[붐(31), 아암(33), 버킷(35) 등]의 조작 레버(322)의 입력에 의해 발생되는 유압 파일럿 신호는 유압→전기 신호 변환 디바이스(332)에 의해 변환되어, 프론트 파일럿압 Pdf로서 통합 컨트롤러(100)에 입력된다.

엔진 회전수 제어부(315)는 어시스트 출력 지령 Pa*, ECM(57)으로 검출한 엔진 회전수 Ne, MCU(80)로 검출한 유압 펌프(41)의 토출압 Pdp, 선회 파일럿압 Pds 및 프론트 파일럿압 Pdf 등의 입력 신호에 따라서, 유압 펌프(41)의 부하를 고려하면서, 가능한 한 연비를 저감시킬 수 있고, 또한 배기 성능이 양호한 운전을 행하기 위해, 엔진 회전수 지령 Ne*, 유압 펌프 출력 지령 Pp*을 연산한다. 통합 컨트롤러(100)는 엔진 회전수 지령 Ne*을 ECM(57)에 출력한다. ECM(57)은 통합 컨트롤러(100)로부터 출력된 값에 따라서 엔진(22)의 토크를 제어하고, 엔진(22)의 회전수를 제어한다.

또한, 통합 컨트롤러(100)는 펌프 출력 지령 Pp*을 MCU(80)에 출력한다. MCU(80)는 통합 컨트롤러(100)로부터 출력된 값에 따라서 전자 비례 밸브(75)를 통해 컨트롤 밸브(42)를 제어함과 함께, 유압 펌프(41)의 경사판의 틸팅각 구동 장치(도시하지 않음)를 구동하고, 유압 펌프(41)의 토출 유량을 제어하여 유압 펌프(41)의 부하를 조절한다. 또한, 엔진 회전수 제어부(315)의 처리 내용에 대해서는 후술한다.

다음에, 통합 컨트롤러(100)를 구성하는 각 제어부의 처리 내용에 대해 도면을 사용하여 설명한다. 도 4는 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 직류 전압 제어부와 캐패시터 전압 제어부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다. 도 4에 있어서, 도 1 내지 도 3에 도시하는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

직류 전압 제어부(301)는 인버터/초퍼의 기기 사양에 기초하여 미리 정해진 직류 전압 지령 Vdc*과 직류 전압 Vdc의 편차를 감산기(400)로 구하고, 이 감산기(400)로부터의 편차에 따라서 PID 제어기(401)의 PID 제어 등의 피드백 제어에 의해 캐패시터 출력 지령 Pc*을 연산한다.

캐패시터 전압 제어부(302)는 선회 전동 모터(25)의 회전수 Ns와 선회 전동 모터 토크(25)의 Ts를 승산기(402)로 승산하고, 이 승산기(402)로부터의 승산 값을 단위 변환기(403)로 소정의 단위로 변환하여 선회 전동 모터 출력 Ps를 연산한다.

다음에, 선회 전동 모터 출력 Ps의 하한을 제한기(404)로 제로 리미트한 값과, 소정의 선회 패턴에 기초하여 정해진 선회 시 어시스트 출력 상한 cPsaHigh가 낮은 쪽을 저치 선택기(405)로 선택하여 선회 역행 시(Ps≥0)의 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 연산한다. 마찬가지로, 선회 전동 모터 출력 Ps의 상한을 제한기(406)로 제로 리미트한 값과, 소정의 선회 패턴에 기초하여 정해진 선회 시 어시스트 출력 하한 cPsaLow가 높은 쪽을 고치 선택기(407)로 선택하여 선회 회생 시(Ps≤0)의 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 연산한다.

저치 선택기(405)로부터의 값과 고치 선택기(407)로부터의 값은 가산기(408)로 가산되어, 선회 시 어시스트 출력 Psa*이 연산된다. 선회 전동 모터 출력 Ps로부터 이 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 감산기(409)로 감산함으로써, 캐패시터 F/F 출력 지령 Pcff*을 산출한다.

또한, 캐패시터 전압 제어부(302)는 캐패시터 전압 Vc가 캐패시터 전압 지령 Vc*에 수렴하도록, 캐패시터 전압 Vc와 캐패시터 전압 지령 Vc*의 편차를 감산기(410)로 구하고, 이 감산기(410)로부터의 편차에 따라서 PID 제어기(411)의 PID 제어 등의 피드백 제어에 의해 캐패시터 F/B 출력 지령 Pcfb*을 연산한다.

여기서, 선회체(20)의 속도가 낮은 경우에는, 선회 전동 모터(25)로의 역행 전력의 공급에 대비하여 캐패시터 전압 Vc를 높게 해 둘 필요가 있고, 선회체(20)의 속도가 높은 경우에는, 선회 전동 모터(25)로부터의 회생 전력의 공급에 대비하여 캐패시터 전압 Vc를 낮게 해 둘 필요가 있다. 이로 인해, 캐패시터 전압 지령 Vc*은 선회 전동 모터 회전수 Ns의 절댓값 |Ns|에 따라서 설정되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 캐패시터 전압 지령 Vc*은 선회 전동 모터 회전수 Ns를 입력으로 하고, 상술한 특성에 출력을 설정한 함수 발생기(412)에 의해, 설정되어 있다.

또한, 캐패시터 전압 제어부(302)는 캐패시터 F/F 출력 지령 Pcff*과 캐패시터 F/B 출력 지령 Pcfb*을 가산기(413)로 가산하여 캐패시터 출력 요구 Pc**을 연산하고, 캐패시터 출력 요구 Pc**과 캐패시터 출력 지령 Pc*의 편차를 감산기(414)로 구하고, 이 감산기(414)로부터의 편차에 따라서 PID 제어기(415)의 PID 제어 등의 피드백 제어에 의해 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*을 연산한다.

이상 설명한 바와 같이, 직류 전압 제어부(301)의 연산 결과에 기초하여, PCU(55)가 초퍼(51)의 직류 전력을 제어하여 캐패시터(24)의 충방전 전류를 제어함으로써 직류 전압 Vdc의 안정화를 도모할 수 있다.

또한, 캐패시터 전압 제어부(302)에 의해, 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 그 이외[배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)]로 분담하면서, 캐패시터 전압 Vc를 캐패시터 전압 지령값 Vc*에 수렴시키기 위한 어시스트 발전 모터(23)의 출력 보정값(어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*)을 연산할 수 있다. 즉, 직류 전압 제어부(301)와 캐패시터 전압 제어부(302)에 의해 직류 전압 Vdc의 안정화 제어와 캐패시터(24)의 충방전 관리를 적절하게 양립하는 것이 가능해진다.

다음에, 제1 제어부(311)와 제2 제어부(312)의 처리 내용에 대해 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 제어부(311)는 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*에 따라서, 행렬식에 의한 연산식 식 1에 따라서, 제1 배터리 출력 지령 Pb1*과 제1 어시스트 출력 지령 Pa1*을 연산한다.

[식 1]

연산식 식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 제어부(311)는 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)로 분담하기 위한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값을 연산하고 있다. 이때, 배터리(27)의 방전 출력을 양의 값, 충전 출력을 음의 값으로 하고 있으므로, 제1 배터리 출력 지령 Pb1*에 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 그대로 대입하게 된다.

제2 제어부(312)는 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*에 따라서, 행렬식에 의한 연산식 식 2에 따라서, 제2 배터리 출력 지령 Pb2*과 제2 어시스트 출력 지령 Pa2*을 연산한다.

[식 2]

연산식 식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제2 제어부(312)는 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 분담하기 위한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값을 연산하고 있다. 이때, 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력을 양의 값, 발전 출력을 음의 값으로 하고 있으므로, 제2 어시스트 출력 지령 Pa2*은 선회 시 어시스트 출력 Psa*의 부합을 반전시켜 대입하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 제1 제어부(311)에 의해, 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)로 분담하기 위한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 구해진다. 마찬가지로, 제2 제어부(312)에 의해, 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 분담하기 위한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 구해진다.

다음에, 배터리 잔량 추정부(313)의 처리 내용에 대해 도 5와 도 6을 사용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 구성하는 배터리의 기능을 설명하는 간이 모델도, 도 6은 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 배터리 잔량 추정부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다. 도 5 및 도 6에 있어서, 도 1 내지 도 4에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

PCU(55)에 의해 검출되는 배터리(27)의 전압 Vb는, 도 5에 도시한 바와 같이 배터리(27)의 내부 저항 r에 의한 손실을 포함한 전압이다. 따라서, 배터리(27)의 실제의 잔량에 상당하는 배터리(27)의 개로 전압 OCV는 이하의 연산식 식 3으로 나타난다.

[식 3]

도 6에 있어서, 배터리 잔량 추정부(313)는 연산식 식 3을 실현하기 위해, PCU(55)로 검출한 배터리 전압 Vb에, 배터리(27)의 전류 Ib와 내부 저항 r을 승산기(500)로 승산한 값을 가산기(501)로 가산함으로써 배터리 개로 전압 OCV를 연산하고 있다. 배터리 잔량 SOC는 함수 발생기(502)로 배터리 개로 전압 OCV의 값에 따라서 소정의 값으로 정규화(예를 들어, 0 내지 100％)함으로써 구하고 있다. 여기서, 배터리 잔량 SOC는 온도 의존성이 높아, 저온 시에는 용량이 저하되고, 고온 시에는 용량이 증대되므로, 함수 발생기(502)는 PCU(55)로 검출한 배터리(27)의 온도 Tb에 따라서 배터리 잔량 SOC의 값을 보정 연산하고 있다.

상술한 배터리 잔량 추정부(313)에 의해 배터리(27)의 잔량의 추정이 가능해진다.

다음에, 제어 전환부(314)의 처리 내용을 도 7을 사용하여 설명한다. 도 7은 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 제어 전환부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다. 도 7에 있어서, 도 1 내지 도 6에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

제어 전환부(314)는 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Ps에 따라서 선회 전동 모터(25)의 역행/회생을 판정하여, 선회 역행 시에는 배분 파라미터 αdrv를 선택하고(α＝αdrv), 선회 회생 시에는 배분 파라미터 αbrk를 선택함(α＝αbrk)으로써, 전력 배분 파라미터 α를 연산한다.

선회 역행 시의 배분 파라미터 αdrv는 함수 발생기(602)로 설정되어, 선회 모터(25)의 역행 전력에 대해 배터리(27)로부터 방전하는 전력을 정하기 위한 파라미터이다. 예를 들어, 배터리 잔량 SOC가 40 내지 100％의 범위에 있는 경우에는, 어시스트 발전 모터(23)의 발전을 억제하여 캐패시터(24)와 배터리(27)로 전력을 공급하므로, αdrv＝1로 한다. 또한, 배터리 잔량 SOC가 저하되어, 40％ 이하로 되면, 배터리 잔량 SOC의 저하 정도에 따라서 배터리(27)로 공급하고 있던 전력을 어시스트 발전 모터(23)로 보충하도록, αdrv를 서서히 저하시킨다(αdrv＝1→0). 또한, 배터리 잔량 SOC가 30％ 이하로 되면, 배터리(27)의 방전을 억제하여 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 전력을 공급하므로, αdrv＝0으로 한다.

마찬가지로, 선회 회생 시의 배분 파라미터 αbrk는 함수 발생기(603)로 설정되어, 선회 전동 모터(25)의 회생 전력에 대해 배터리(27)에 충전하는 전력을 정하기 위한 파라미터이다. 예를 들어, 배터리 잔량 SOC가 0 내지 60％의 범위에 있는 경우에는, 어시스트 발전 모터(23)의 역행을 억제하여 캐패시터(24)와 배터리(27)로 전력을 회수하므로, αbrk＝1로 한다. 또한, 배터리 잔량 SOC가 증가하여, 60％ 이상으로 되면, 배터리 잔량 SOC의 증가 정도에 따라서 배터리(27)로 회수하고 있던 전력을 어시스트 발전 모터(23)로 보충하도록, αbrk를 서서히 저하시킨다(αbrk＝1→0). 또한, 배터리 잔량 SOC가 70％ 이상이 되면 배터리(27)의 충전을 억제하여 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 전력을 회수하므로, αbrk＝0으로 한다.

다음에, 제어 전환부(314)는 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 모터 출력 Ps에 따라서 선회 모터의 역행/회생을 아날로그 스위치(604)로 판정한다. 아날로그 스위치(604)는, 선회 역행 시에는 배분 파라미터 αdrv를 선택하고(α＝αdrv), 선회 회생 시에는 배분 파라미터 αbrk를 선택함(α＝αbrk)으로써, 전력 배분 파라미터 α를 연산한다.

제어 전환부(314)에 있어서의 전력 배분 처리(601)는 제1 제어부(311)에 의해 연산한 제1 배터리 출력 지령 Pb1*, 제1 어시스트 출력 지령 Pa1* 및 제2 제어부(312)에 의해 연산한 제2 배터리 출력 지령 Pb2*, 제2 어시스트 출력 지령 Pa2*에 따라서, 배터리 출력 지령 Pb*과 어시스트 F/F 출력 지령 Paff*을 연산한다.

여기서, 제어 전환부(314)에 있어서의 전력 배분 처리(601)의 처리 내용에 대해 상세하게 설명한다. 상술한 바와 같이, 전력 배분 파라미터 α는 선회 전동 모터(25)의 역행/회생 전력에 대해 배터리(27)의 방전/충전 전력을 결정하는 파라미터이다. 따라서, 전력 배분 처리(601)는 배터리 출력 지령 Pb*과 어시스트 F/F 출력 지령 Paff*을 이하의 연산식 식 4 및 연산식 식 5에 기초하여 산출하고 있다.

[식 4]

[식 5]

연산식 식 4 및 연산식 식 5에 연산식 식 1, 연산식 식 2의 결과를 대입함으로써 연산식 식 6 및 연산식 식 7이 얻어진다.

[식 6]

[식 7]

연산식 식 6 및 연산식 식 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 전력 배분 파라미터 α의 값에 따라서, 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 배터리 출력 지령 Pb*과 어시스트 F/F 출력 지령 Paff*로 배분하는 것이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 제어 전환부(314)에 의해, 선회 역행 시, 또한 배터리 잔량 SOC의 값이 높은 경우에는, 전력 배분 파라미터 α가 1로 설정되어 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)로 공급하는 것이 가능해진다. 또한, 선회 역행 시, 또한 배터리 잔량 SOC의 값이 낮은 경우에는, 전력 배분 파라미터 α가 0으로 설정되어 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 공급하는 것이 가능해진다.

마찬가지로, 선회 회생 시, 또한 배터리 잔량 SOC의 값이 높은 경우에는, 전력 배분 파라미터 α가 0으로 설정되어 선회 전동 모터(25)의 회생 전력을 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 회수하는 것이 가능해진다. 또한, 선회 회생시, 또한 배터리 잔량 SOC의 값이 낮은 경우에는, 전력 배분 파라미터 α가 1로 설정되어 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)로 회수하는 것이 가능해진다.

다음에, 엔진 회전수 제어부(315)의 처리 내용을 도 8을 사용하여 설명한다. 도 8은 도 3의 통합 컨트롤러를 구성하는 엔진 회전수 제어부의 처리 내용을 도시하는 제어 블록도이다. 도 8에 있어서, 도 1 내지 도 7에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

엔진 회전수 제어부(315)는 ECM(57)으로 검출한 엔진(22)의 회전수 Ne에 기초하여, 미리 정해진 유압 펌프(41)의 유량 특성 등을 사용하여 유압 펌프(41)의 토출 유량 Qdp를 추정 연산한다. 또한, 이 유압 펌프(41)의 토출 유량 Qdp와 MCU(80)로 검출한 유압 펌프(41)의 토출압 Pdp에 기초하여, 미리 정해진 유압 펌프(41)의 출력 특성 등을 사용하여 유압 펌프(41)의 출력 Pp를 연산한다. 또한, 이 유압 펌프(41)의 출력 Pp로부터 어시스트 출력 지령 Pa*을 감산기(700)로 감산함으로써 엔진(22)에 요구되는 출력 Pe를 연산한다.

한편, 엔진 회전수 제어부(315)의 복합 동작 판정기는 선회 파일럿압 Pds와 프론트 파일럿압 Pdf에 따라서 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작의 존재 여부를 판정한다. 예를 들어, 선회체(20)를 조작하기 위한 조작 레버(321)의 상태를 나타내는 선회 파일럿압 Pds가 소정값 이상일 때에는, 오퍼레이터에 의해 선회 동작이 실시되어 있다고 판정한다. 또한, 작업기(30)를 조작하기 위한 조작 레버(322)의 상태를 나타내는 프론트 파일럿압 Pdf가 소정값 이상일 때에는, 오퍼레이터에 의해 작업기(30)[붐(31), 아암(33), 버킷(35)]의 동작이 행해지고 있다고 판정한다. 복합 동작 판정기는 이들의 조건이 모두 성립되어 있는 경우에, 오퍼레이터에 의해 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작이 행해지고 있는 것으로 하여 복합 동작 판정 플래그를 세트(fSwgBmUp＝1)한다. 또한, 이들의 조건 중 어느 하나가 비성립인 경우에는, 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작이 행해져 있지 않은 것으로 하여 복합 동작 판정 플래그를 클리어(fSwgBmUp＝0)한다.

또한, 엔진 회전수 제어부(315)는 상술한 엔진 요구 출력 Pe와 복합 동작 판정 플래그 fSwgBmUp를 입력으로 하고, 엔진 회전수 지령 Ne*을 산출하는 엔진 회전수 지령 산출 맵(701)을 갖고 있다. 엔진 회전수 지령 산출 맵(701)의 상세에 대해서는 후술한다.

또한, 엔진 회전수 제어부(315)는 엔진 회전수 지령 Ne*과 엔진 회전수 Ne의 편차 eNe를 감산기(702)로 구하고, 이 감산기로부터의 편차 eNe에 따라서 유압 펌프(41)의 출력을 제한하는 제어를 행한다. 예를 들어, 엔진 회전수 Ne가 엔진 회전수 지령 Ne*에 대해 서서히 저하되어, 편차 eNe가 소정값 이상으로 된 경우에는, 유압 펌프(41)가 과부하 상태라고 판정한다. 그리고, 편차 eNe가 소정값보다도 작아지도록, 유압 펌프(41)의 출력 지령 Pp*을 연산하여, 이 펌프 출력 지령 Pp*을 MCU(80)에 출력한다.

다음에, 엔진 회전수 지령 산출 맵(701)의 처리 내용을 도 9 및 도 10을 사용하여 설명한다. 도 9는 도 8의 엔진 회전수 제어부를 구성하는 엔진 회전수 지령 산출 맵의 처리 내용을 도시하는 특성도, 도 10은 도 8의 엔진 회전수 제어부를 구성하는 엔진 회전수 지령 산출 맵에 있어서의 엔진 회전수의 상한값의 설정 방법을 나타내는 표이다. 도 9 및 도 10에 있어서, 도 1 내지 도 8에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 9의 횡축은 엔진 요구 출력 Pe를 나타내고 있고, 종축은 엔진 회전수 지령 Ne*을 나타내고 있다. 여기서, 엔진 최소 출력 PeMin은 대기 상태(오퍼레이터에 의한 조작이 행해지고 있지 않은 상태)에 있어서의 유압 펌프(41)의 드래그 손실에 에어컨 등의 보조 기계를 구동하기 위한 부하를 가산한 값에 상당한다. 이때의 엔진 회전수 지령 Ne*은 엔진(22)이 엔진 최소 출력 PeMin을 출력 가능한 회전수 NeMin으로서 설정된다.

또한, 엔진 최대 출력 PeMax는 엔진(22)의 최대 출력에 상당한다. 이때의 엔진 회전수 지령 Ne*은 엔진(22)이 엔진 최대 출력 PeMax를 출력 가능한 회전수 NeMax로서 설정된다. 또한, 엔진 회전수 지령 산출 맵(701)은 엔진(22)의 출력 특성에 따라서 미리 설정한 테이블로 되어 있고, 엔진 요구 출력 Pe에 대해 연비와 배기가 최선이 되는 엔진 회전수 지령 Ne*이 산출 설정되어 있다.

여기서, 도 3에 도시하는 제어 전환부(314)에 있어서, 제1 제어부(311)에서 연산한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 선택되어 있는 경우에는 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)로 분담하고 있으므로, 어시스트 출력 지령 Pa*은 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*만으로 된다. 이때의 엔진 요구 출력 Pe1은, 도 8에 도시한 바와 같이 유압 펌프(41)의 출력 Pp로부터 어시스트 출력 지령 Pa*을 감산하므로, 이하의 연산식 식 8로 나타난다.

[식 8]

또한, 도 3에 도시하는 제어 전환부(314)에 있어서, 제2 제어부(312)에서 연산한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 선택되어 있는 경우에는, 선회 전동 모터(25)의 전력을 캐패시터(24)와 어시스트 발전 모터(23)로 분담하고 있으므로, 어시스트 출력 지령 Pa*은 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*에 어시스트 F/F 출력 지령 Paff*(＝－Psa*)을 가산한 값이 된다. 이때의 엔진 요구 출력 Pe2는 이하의 연산식 식 9로 나타난다.

[식 9]

연산식 식 8과 연산식 식 9를 비교하면, 선회 전동 모터(25)가 역행하고 있는 경우에는, Psa*>0이 되므로, 제1 제어부(311)에서 연산한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 선택되어 있는 경우에 비해, 제2 제어부(312)에서 연산한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 선택되어 있는 경우의 쪽이, 엔진 요구 출력 Pe가 높아져, 엔진 회전수 지령 산출 맵(701)으로 산출한 엔진 회전수 지령 Ne*이 높게 설정되게 된다(Ne1<Ne2).

이상 설명한 바와 같이, 제어 전환부(314)에 의해 제1 제어부(311)에서 연산한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 선택되어, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 방전 전력에 의해 공급하고 있는 경우에는, 엔진 회전수 제어부(315)에 의해 엔진 회전수 Ne를 제1 회전수(Ne1)로 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 제어 전환부(314)에 의해 제2 제어부(312)에서 연산한 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값이 선택되어, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)의 방전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 회생 전력에 의해 공급하고 있는 경우에는, 엔진 회전수 제어부(315)에 의해 엔진 회전수 Ne를 제2 회전수 Ne2로 제어하는 것이 가능해진다.

또한, 엔진 회전수 지령 산출 맵(701)에는 복합 동작 판정 플래그의 값에 따라서 엔진 회전수 상한 NeLmt가 설치되어 있다. 이하에 엔진 회전수 상한 NeLmt의 설정 방법을 설명한다.

도 9에 있어서, 작업기(30)[붐(31), 아암(33), 버킷(35)]의 단독 동작에서 필요한 엔진(22)의 출력을 PeHigh(<PeMax)로 하고, 이 출력에 대응하는 엔진 회전수를 NeHigh(<NeMax)로 한다. 이때, 배터리 잔량 SOC가 높고, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 방전 전력으로 공급하는 경우에는, 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작에서 필요한 엔진 출력은, 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력과 동일하다.

한편, 배터리 잔량 SOC가 낮고, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)의 방전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 발전 전력으로 공급하는 경우에는, 엔진(22)에 의해 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하므로, 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작에서 필요한 엔진 출력은, 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh보다도 커진다.

여기서, 제어 오차나 다양한 외란에 의해 어시스트 F/B 출력 지령 Pafb*의 값이 변화되면, 연산식 식 8, 연산식 식 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진 요구 출력 Pe의 값이 변화되다. 이때, 엔진 요구 출력 Pe는 작업기(30)의 단독 동작에 필요한 엔진 출력 PeHigh보다도 높아지므로, 엔진 회전수 지령 Ne*을 증가(>NeHigh)시킬 필요가 있지만, 엔진 회전수를 증가시키면 연비가 악화된다. 따라서, 엔진 회전수를 억제하여 저연비 운전을 행하는 경우에는, 엔진 회전수에 소정의 상한값을 설정하고, 도 8에서 도시한 펌프 출력 제한에 의해 유압 펌프(41)의 출력을 조절하여 제어 오차나 다양한 외란을 억제하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 배터리 잔량 SOC가 높은 경우나, 배터리 잔량 SOC가 낮고, 또한 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작이 행해져 있지 않은 경우에는, 엔진(22)의 출력을 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh로 제한하므로, 도 10에 도시한 바와 같이, 엔진 회전수 상한 NeLmt를 NeHigh로 설정한다.

또한, 배터리 잔량 SOC가 낮고, 또한 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작이 행해지고 있는 경우에는, 엔진(22)이 최대 출력 PeMax를 출력할 수 있도록 엔진 회전수 상한 NeLmt를 NeMax로 설정한다.

이와 같이, 선회체(20), 작업기(30)를 조작하기 위한 조작 레버(조작 장치)(321, 322)의 조작 상태에 따라서 선회체(20)와 작업기(30)의 복합 동작을 판정한다. 이 판정에 따라서 엔진 회전수의 상한값을 설정함으로써, 배터리 잔량 SOC가 낮고, 또한 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)의 방전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 회생 전력으로 공급하는 경우에만, 엔진 회전수를 증가시켜 유압 펌프(41)를 구동하기 위해 필요한 엔진 출력을 확보할 수 있고, 그 밖의 경우에 있어서는, 엔진 회전수의 증가를 억제하여 저연비 운전을 실현할 수 있다.

다음에, 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태의 제어 방법에 대해 도 11 및 도 12를 사용하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 있어서의 선회 동작 시의 제어 방법을 도시하는 타임차트, 도 12는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 있어서의 굴삭 동작 시의 제어 방법을 도시하는 타임차트이다. 도 11 및 도 12에 있어서, 도 1 내지 도 10에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

우선, 선회 동작 시의 제어 방법을 도 11을 사용하여 설명한다. 도 11에 있어서, 횡축은 시간을 나타내고 있고, 종축의 (a) 내지 (h)는 위에서부터 순서대로 선회 전동 모터(25)의 출력 Ps, 어시스트 발전 모터(23)의 출력 Pa, 캐패시터(24)의 출력 Pc, 배터리(27)의 출력 Pb, 엔진(22)에 대한 요구 출력 Pe, 엔진(22)의 회전수 Ne, 캐패시터(24)의 전압 Vc, 배터리(27)의 잔량 SOC를 나타내고 있다. 또한, 도면의 실선은 배터리 잔량 SOC가 높은 경우(70％ 이상)의 제어 방법을 나타내고 있고, 점선은 배터리 잔량 SOC가 낮은 경우(30％ 이하)의 제어 방법을 나타내고 있다.

처음에, 배터리 잔량 SOC가 높은 경우(70％ 이상)의 제어 방법에 대해 설명한다.

시각 t1에 있어서, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 가속 방향으로 조작하면, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이 선회 전동 모터(25)의 역행 출력(Ps>0)이 증가하여, 선회체(20)가 가속한다(선회 역행). 이때, 도 11의 (h)의 배터리 잔량 SOC가 높으므로, 배터리 출력 Pb는 도 11의 (d)에 도시한 바와 같이 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*(＝cPsaHigh)까지 서서히 증가한다. 한편, 배터리 잔량 SOC는 서서히 저하되어 간다.

시각 t2에 있어서, 도 11의 (d)의 배터리 출력 Pb가 선회 시 어시스트 출력 Psa*에 도달하면, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 캐패시터(24)의 방전 출력(Pc>0)이, 도 11의 (c)에 도시한 바와 같이 서서히 증가해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 방전 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc와 배터리 잔량 SOC가 서서히 감소한다. 또한, 엔진 요구 출력 Pe가 증가하지 않으므로, 엔진 회전수 Ne는 최소 회전수 NeMin을 유지하게 된다.

시각 t3에 있어서, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 감속 방향으로 조작하면, 도 11의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps가 회생 방향(Ps<0)으로 전환되어, 선회체(20)가 감속한다(선회 회생). 이때, 배터리 잔량 SOC가 높으므로, 도 11의 (d)의 배터리 출력 Pb를 제로로 제한하고, 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력(Pa>0)을 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 반전시킨 값[＝(－1)×cPsaLow]까지 증가시킨다.

따라서, 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력에 의해, 엔진 요구 출력 Pe가 감소한다. 또한, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해, 도 11의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 충전 방향(Pc<0)으로 전환된다. 선회체(20)가 감속해 가면, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력(Ps<0)이 서서히 감소하고, 캐패시터(24)의 충전 출력(Pc<0)이 서서히 감소해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 회생 전력을 캐패시터(24)의 충전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 역행 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc는 서서히 증가하게 된다.

시각 t4에 있어서, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력이 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력을 조달할 수 있는 범위 내가 되면, 도 11의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 제로가 되고, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력의 감소에 따라서 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력이 서서히 감소해 간다. 그 후, 시각 t5에 있어서, 선회체(20)가 정지하면, 도 11의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps와 도 11의 (b)의 어시스트 발전 모터 출력 Pa가 제로가 되고, 선회 동작은 종료가 된다.

다음에, 배터리 잔량 SOC가 낮은 경우(30％ 이하)의 제어 방법에 대해 설명한다.

시각 t1에 있어서, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 가속 방향으로 조작하면, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이 선회 전동 모터(25)의 역행 출력(Ps>0)이 증가하여, 선회체(20)가 가속한다(선회 역행). 이때, 도 11의 (h)의 배터리 잔량 SOC가 낮으므로, 도 11의 (d)의 배터리 출력 Pb를 제로로 제한하고, 도 11의 (b)의 어시스트 발전 모터(23)의 발전 출력(Pa<0)을 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 반전시킨 값[＝(-1)×cPsaHigh]까지 서서히 증가시킨다. 따라서, 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하기 위해, 도 11의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe가 증가하고, 도 11의 (f)의 엔진 회전수 Ne가 서서히 증가(NeMin→NeSwg)해 간다.

시각 t2에 있어서, 도 11의 (d)에 도시한 바와 같이 어시스트 발전 모터 출력 Pa가 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 반전시킨 값에 도달하면, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 캐패시터(24)의 방전 출력(Pc>0)이 도 11의 (c)에 도시한 바와 같이 서서히 증가해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)의 방전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 발전 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc가 서서히 감소한다. 또한, 엔진 요구 출력 Pe가 증가하고 있으므로, 엔진 회전수 Ne는 선회 역행 시 엔진 회전수 NeSwg를 유지하게 된다.

시각 t3에 있어서, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 감속 방향으로 조작하면, 도 11의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps가 회생 방향(Ps<0)으로 전환되고, 선회체(20)가 감속한다(선회 회생). 이때, 배터리 잔량 SOC가 낮으므로, 도 11의 (b)의 어시스트 발전 모터 출력 Pa를 제로로 제한하고, 도 11의 (d)의 배터리(27)의 충전 출력(Pb<0)을 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*(＝cPsaLow)까지 증가시킨다. 따라서, 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동할 필요가 없어지므로, 엔진 요구 출력 Pe가 감소하고, 엔진 회전수 Ne가 감소(NeSwg→NeMin)한다.

또한, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 도 11의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 충전 방향(Pc<0)으로 전환된다. 선회체(20)가 감속해 가면, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력(Ps<0)이 서서히 감소하고, 캐패시터(24)의 충전 출력(Pc<0)이 서서히 감소해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 회생 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 충전 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc와 배터리 잔량 SOC는 서서히 증가하게 된다.

시각 t4에 있어서, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력이 배터리(27)의 충전 출력을 조달할 수 있는 범위 내가 되면, 도 11의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 제로가 되고, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력의 감소에 따라서 배터리(27)의 충전 출력이 서서히 감소해 간다. 그 후, 시각 t5에 있어서, 선회체(20)가 정지하면, 도 11의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps와 도 11의 (d)의 배터리 출력 Pb가 제로가 되고, 선회 동작은 종료가 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 유압 셔블에서는, 배터리(27)로부터 전력을 공급하여 선회 전동 모터(25)를 역행시키는 제1 제어 모드와, 엔진(22)에 의해 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하여 생성된 전력에 의해 선회 전동 모터(25)를 역행시키는 제2 제어 모드를, 배터리 잔량 SOC에 따라서 전환하고, 제1 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는 엔진 회전수 Ne가 제1 회전수(NeMin)로 제어되고, 제2 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는 엔진 회전수 Ne가 제1 회전수(NeMin)보다도 높은 제2 회전수(NeSwg)로 제어되어 있다.

다음에, 본 발명의 하이브리드식 건설 기계에 있어서의 굴삭 동작 시의 제어 방법을 도 12를 사용하여 설명한다. 굴삭 동작에 있어서는, 붐(31), 아암(33), 버킷(35) 등의 작업기(30)를 조작하여 굴삭하는 작업을 비롯하여, 굴삭한 토사를 덤프에 적재하기 위해 선회체(20)를 가속시키면서 붐(31)을 상승시키는 복합 동작이 실시된다. 그 후, 선회체(20)를 감속시키면서 버킷(35)을 조작하여 토사를 덤프에 방토한다.

도 12에 있어서, 횡축은 시간을 나타내고 있고, 종축의 (a) 내지 (h)는 위에서부터 순서대로 선회 전동 모터(25)의 출력 Ps, 어시스트 발전 모터(23)의 출력 Pa, 캐패시터(24)의 출력 Pc, 배터리(27)의 출력 Pb, 엔진(22)에 대한 요구 출력 Pe, 엔진(22)의 회전수 Ne, 캐패시터(24)의 전압 Vc, 배터리(27)의 잔량 SOC를 나타내고 있다. 또한, 도면의 실선은 배터리 잔량 SOC가 높은 경우(70％ 이상)의 제어 방법을 나타내고 있고, 점선은 배터리 잔량 SOC가 낮은 경우(30％ 이하)의 제어 방법을 나타내고 있다.

처음에, 배터리 잔량 SOC가 높은 경우(70％ 이상)의 제어 방법에 대해 설명한다.

시각 t0에 있어서, 오퍼레이터가 조작 레버(322)를 조작하여 작업기(30)[붐(31), 아암(33), 버킷(35)]를 동작시켜 굴삭을 개시하면, 유압 펌프(41)의 출력 Pp가 증가하므로, 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe가 작업기(30)의 단독 동작으로 필요한 엔진 출력 PeHigh까지 증가하고, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne는 이 출력에 대응하는 회전수 NeHigh까지 증가한다.

시각 t1에 있어서, 굴삭이 종료되면, 굴삭한 토사를 덤프에 적재하기 위해, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 가속 방향으로 조작하면 동시에, 조작 레버(322)를 조작하고, 선회체(20)를 가속시키면서 붐(31)을 상승시켜 간다(선회 역행ㆍ붐 상승). 그러면, 도 12의 (a)에 도시한 바와 같이 선회 전동 모터(25)의 역행 출력(Ps>0)이 증가하여 선회체(20)가 가속하면 동시에, 유압 펌프(41)의 출력 Pp가 증가하여 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe는 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh로 유지되고, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne도 이 출력에 대응하는 회전수 NeHigh로 유지된다.

이때, 도 12의 (h)의 배터리 잔량 SOC가 높으므로, 배터리 출력 Pb는 도 12의 (d)에 도시한 바와 같이 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*(＝cPsaHigh)까지 서서히 증가하고, 배터리 잔량 SOC가 서서히 저하되어 간다.

시각 t2에 있어서, 도 12의 (d)에 도시한 바와 같이 배터리 출력 Pb가 선회 시 어시스트 출력 Psa*에 도달하면, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 캐패시터(24)의 방전 출력(Pc>0)이 도 12의 (c)에 도시한 바와 같이 서서히 증가해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 방전 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 도 12의 (g)의 캐패시터 전압 Vc와 도 12의 (h)의 배터리 잔량 SOC가 서서히 감소한다. 또한, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne를, 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh에 대응하는 회전수 NeHigh로 유지하고 있으므로, 유압 펌프(41)를 구동하기 위해 필요한 엔진(22)의 출력을 확보할 수 있다.

그 후, 시각 t3에 있어서, 굴삭한 토사를 덤프에 방토하기 위해, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 감속 방향으로 조작하면 동시에, 조작 레버(322)를 조작하고, 선회체(20)를 감속시키면서 버킷(35)을 회전시켜 방토한다(선회 회생ㆍ방토). 그러면, 도 12의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps가 회생 방향(Ps<0)으로 전환되어, 선회체(20)가 감속한다. 이때, 배터리 잔량 SOC가 높으므로, 도 12의 (d)의 배터리 출력 Pb를 제로로 제한하고, 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력(Pa>0)을, 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 반전시킨 값[＝(－1)×cPsaLow]까지 증가시킨다.

또한, 버킷(35)의 회전에 의해 유압 펌프(41)의 출력 Pp가 필요해지지만, 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력에 의해, 엔진 요구 출력 Pe는 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh보다도 감소한다. 따라서, 엔진 회전수 Ne는 이 출력에 대응하는 회전수 NeHigh보다도 감소한다.

또한, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 도 12의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 충전 방향(Pc<0)으로 전환된다. 선회체(20)가 감속해 가면, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력(Ps<0)이 서서히 감소하고, 캐패시터(24)의 충전 출력(Pc<0)이 서서히 감소해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 회생 전력을, 캐패시터(24)의 충전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 역행 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc는 서서히 증가하게 된다.

시각 t4에 있어서, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력이 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력을 조달할 수 있는 범위 내가 되면, 도 12의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 제로가 되고, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력의 감소에 따라서 어시스트 발전 모터(23)의 역행 출력이 서서히 감소해 간다.

그 후, 시각 t5에 있어서, 선회체(20)가 정지하여 버킷(35)의 조작이 완료되면, 도 12의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps와 도 12의 (b)의 어시스트 발전 모터 출력 Pa가 제로가 된다. 또한, 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe가 최소 출력 PeMin으로 감소하므로, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne가 최소 회전수 NeMin으로 감소하고, 굴삭 동작은 종료가 된다.

다음에, 배터리 잔량 SOC가 낮은 경우(30％ 이하)의 제어 방법에 대해 설명한다.

시각 t0에 있어서, 오퍼레이터가 조작 레버(322)를 조작하여 작업기(30)[붐(31), 아암(33), 버킷(35)]를 동작시켜 굴삭을 개시하면, 유압 펌프(41)의 출력 Pp가 증가하므로, 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe가 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh까지 증가하고, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne는 이 출력에 대응하는 회전수 NeHigh까지 증가한다.

시각 t1에 있어서, 굴삭이 완료되면, 굴삭한 토사를 덤프에 적재하기 위해, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 가속 방향으로 조작하면 동시에, 조작 레버(322)를 조작하고, 선회체(20)를 가속시키면서 붐(31)을 상승시켜 간다(선회 역행ㆍ붐 상승). 그러면, 도 12의 (a)에 도시한 바와 같이 선회 전동 모터(25)의 역행 출력(Ps>0)이 증가하고, 선회체(20)가 가속하면 동시에, 유압 펌프(41)의 출력 Pp가 증가한다.

이때, 도 12의 (h)에 도시한 바와 같이 배터리 잔량 SOC가 낮으므로, 도 12의 (d)의 배터리 출력 Pb를 제로로 제한하고, 어시스트 발전 모터(23)의 발전 출력(Pa<0)을 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 반전시킨 값[＝(－1)×cPsaHigh]까지 서서히 증가시킨다. 이와 같이, 엔진(22)에 의해 유압 펌프(41)의 출력 Pp를 확보하면서 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하므로, 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe는 최대 출력 PeMax(>PeHigh)까지 서서히 증가하고, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne는 이 출력에 대응하는 회전수 NeMax까지 서서히 증가한다.

시각 t2에 있어서, 도 12의 (b)에 도시한 바와 같이 어시스트 발전 모터 출력 Pa가, 선회 시 어시스트 출력 Psa*을 반전시킨 값에 도달하면, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 캐패시터(24)의 방전 출력(Pc>0)이 도 12의 (c)에 도시한 바와 같이 서서히 증가해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)의 방전 전력과 어시스트 발전 모터(23)의 발전 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc가 서서히 감소한다.

또한, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne를, 최대 출력 PeMax에 대응하는 회전수 NeMax까지 증가시키고 있으므로, 유압 펌프(41)를 구동하기 위해 필요한 엔진(22)의 출력을 확보할 수 있다.

그 후, 시각 t3에 있어서, 굴삭한 토사를 덤프에 방토하기 위해, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(321)를 감속 방향으로 조작하면 동시에, 조작 레버(322)를 조작하고, 선회체(20)를 감속시키면서 버킷(35)을 회전시켜 방토한다(선회 회생ㆍ방토). 그러면, 도 12의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps가 회생 방향(Ps<0)으로 전환되고, 선회체(20)가 감속한다(선회 회생).

이때, 배터리 잔량 SOC가 낮으므로, 도 12의 (b)의 어시스트 발전 모터 출력 Pa를 제로로 제한하고, 배터리(27)의 충전 출력(Pb<0)을 캐패시터 전압 제어부(302)에서 연산한 선회 시 어시스트 출력 Psa*(＝cPsaLow)까지 증가시킨다.

또한, 버킷(35)의 회전에 의해 유압 펌프(41)의 출력 Pp가 필요해지지만, 어시스트 발전 모터(23)의 발전 출력이 제로가 되므로, 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe는 작업기(30)의 단독 동작에서 필요한 엔진 출력 PeHigh까지 감소하고, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne는 이 출력에 대응하는 회전수 NeHigh까지 감소한다.

또한, 선회 전동 모터 출력 Ps에 대한 부족분을 보충하기 위해, 직류 전압 제어부(301)에 의해 도 12의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 충전 방향(Pc<0)으로 전환된다. 선회체(20)가 감속해 가면, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력(Ps<0)이 서서히 감소하고, 캐패시터(24)의 충전 출력(Pc<0)이 서서히 감소해 간다. 이때, 선회 전동 모터(25)의 회생 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 충전 전력으로 분담하고 있는 상태로 되어, 캐패시터 전압 Vc와 배터리 잔량 SOC는 서서히 증가하게 된다.

시각 t4에 있어서, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력이 배터리(27)의 충전 출력을 조달할 수 있는 범위 내가 되면, 도 12의 (c)의 캐패시터 출력 Pc가 제로가 되고, 선회 전동 모터(25)의 회생 출력의 감소에 따라서 배터리(27)의 충전 출력이 서서히 감소해 간다. 그 후, 시각 t5에 있어서, 선회체(20)가 정지하여 버킷(35)의 회전이 완료되면, 도 12의 (a)의 선회 전동 모터 출력 Ps와 도 12의 (b)의 어시스트 발전 모터 출력 Pa가 제로가 된다. 또한, 도 12의 (e)의 엔진 요구 출력 Pe가 최소 출력 PeMin으로 감소하므로, 도 12의 (f)의 엔진 회전수 Ne가 최소 회전수 NeMin으로 감소하고, 굴삭 동작은 종료가 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시 형태에 관한 유압 셔블에서는, 배터리(27)로부터의 전력을 선회 전동 모터(25)에 공급하여 선회 전동 모터(25)를 역행시키는 제1 제어 모드와, 엔진(22)에 의해 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하여 생성된 전력에 의해 선회 전동 모터(25)를 역행시키는 제2 제어 모드를, 배터리 잔량 SOC에 따라서 전환하고, 제1 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는 엔진 회전수 Ne가 제1 회전수(NeHigh)로 제어되고, 제2 제어 모드가 선택되어 작업기(30)와 선회체(20)의 복합 동작이 행해지고 있는 경우에는 엔진 회전수 Ne가 제1 회전수(NeHigh)보다도 높은 제2 회전수(NeMax)로 제어되어 있다.

상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 따르면, 선회체(20)와 이 선회체(20)에 걸친 작업기(30)가 복합적으로 동작할 때에 배터리(27)(단위 중량당의 출력이 낮고, 축적 에너지가 높은 축전 디바이스)와 캐패시터(24)(단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스)로부터 전력을 선회 전동 모터(25)에 공급하고, 엔진(22)의 동력에 따라서 유압 펌프(41)의 출력을 제어하므로, 선회체(20)를 구동하기 위한 전력과 유압 펌프(41)를 구동하기 위한 동력을 적절하게 확보하는 것이 가능해진다. 이 결과, 선회체(20)와 이 선회체(20)에 걸친 작업기(30)의 복합 동작인 선회 붐 상승 동작에 있어서 선회체(20)의 선회 속도와 붐(31)의 상승 속도의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있으므로, 하이브리드식 건설 기계에 있어서의 복합 동작의 조작성을 확보할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 따르면, 배터리 잔량이 저하되어 있지 않은 경우에는, 배터리(27)로부터 선회 전동 모터(25)에 전력을 공급하고, 엔진 회전수를 내림으로써, 배터리 사용 시의 연비 저감 효과를 최대한으로 높일 수 있다. 또한, 배터리 잔량이 저하되어 있는 경우에는, 엔진(22)의 동력으로 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하여 선회 전동 모터(25)에 전력을 공급하고, 엔진 회전수를 올림으로써, 유압 펌프(41)의 동력 제한을 최소한으로 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 따르면, 배터리 잔량 SOC가 저하된 경우에, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 방전 전력으로 분담하는 제1 제어 모드로부터 캐패시터(24)의 방전 전력과 엔진(22)으로 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하여 생성된 전력으로 분담하는 제2 제어 모드로 변경할 수 있다. 이때, 제어 전환부(314)의 전력 배분 처리(601)에 의해, 배터리 잔량 SOC에 기초하는 배분 파라미터 α에 따라서 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값을 리니어로 전환하고 있으므로, 제어 방식의 원활한 변경이 가능해진다.

또한, 상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 따르면, 제1 제어 모드와 제2 제어 모드에서 캐패시터(24)의 출력 Pc에 차이가 생기지 않도록 배터리(27)와 어시스트 발전 모터(23)의 출력 지령값을 산출하고 있으므로, 캐패시터(24)의 전압 Vc의 거동이 대략 동등해진다. 이 결과, 배터리(27)보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 캐패시터(24)를 적절하게 활용하면서, 배터리(27)를 플러그 인 구성으로 하는 등의 건설 기계의 설계의 범용성을 확보할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 따르면, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)와 배터리(27)의 방전 전력으로 분담하는 제1 제어 모드에서는, 엔진 회전수 Ne를 저회전 영역(내지 NeHigh)에서 제어하고 있으므로, 배터리(27)를 사용하는 경우의 연비 저감 효과를 높일 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계 및 그 제어 방법의 일 실시 형태에 따르면, 선회 전동 모터(25)의 역행 전력을 캐패시터(24)의 방전 전력과 엔진(22)으로 어시스트 발전 모터(23)를 발전 구동하여 생성된 전력으로 분담하는 제2 제어 모드에서는, 엔진 회전수 Ne를 고속 회전 영역(내지 NeMax)에서 제어하고 있으므로, 배터리 잔량 SOC가 저하된 경우라도 유압 펌프(41)를 구동하기 위해 필요한 엔진 출력을 확보할 수 있다.

10 : 주행체
20 : 선회체
22 : 엔진
23 : 어시스트 발전 모터(제1 전동기)
24 : 캐패시터
25 : 선회 전동 모터(제2 전동기)
27 : 배터리
30 : 작업기
31 : 붐
41 : 유압 펌프
42 : 컨트롤 밸브
100 : 통합 컨트롤러
311 : 제1 제어부
312 : 제2 제어부
313 : 배터리 잔량 추정부
314 : 제어 전환부
315 : 엔진 회전수 제어부

Claims (6)

1. 선회체와, 상기 선회체에 걸친 작업기와, 상기 선회체에 탑재한 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전 가능한 제1 전동기와, 상기 엔진과 상기 제1 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 생성된 동력에 의해 상기 작업기를 구동 조작하는 유압 액추에이터와, 상기 선회체를 구동하기 위한 제2 전동기와, 상기 제1 및 제2 전동기를 구동하는 전력의 공급 및 상기 제1 및 제2 전동기에서 생성한 전력의 충전을 행하기 위한 복수의 축전 디바이스를 갖는 하이브리드식 건설 기계에 있어서,
   상기 작업기와 상기 선회체가 복합적으로 동작할 때에,
   상기 제2 전동기를, 상기 복수의 축전 디바이스 중, 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스와, 상기 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해 구동 제어하고,
   상기 유압 펌프를, 상기 엔진에 의해 구동 제어하는 제1 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 전동기를, 상기 엔진에 의해 상기 제1 전동기를 발전 구동하여 생성된 전력과, 상기 제1 제어부에서 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해 구동 제어하는 제2 제어부와,
   상기 제1 제어부에서 선택된 축전 디바이스의 잔량에 따라서 상기 제1 제어부와 상기 제2 제어부를 전환하는 제어 전환부를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 제어부가 선택되어 있는 경우에는, 상기 엔진의 엔진 회전수를 제1 회전수로 제어하고, 상기 제2 제어부가 선택되어 있는 경우에는, 상기 엔진의 엔진 회전수를 상기 제1 회전수보다도 높은 제2 회전수로 제어하는 엔진 회전수 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
4. 선회체와, 상기 선회체에 걸친 작업기와, 상기 선회체와 상기 작업기를 조작하기 위한 조작 장치와, 상기 선회체에 탑재한 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전 가능한 제1 전동기와, 상기 엔진과 상기 제1 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 생성된 동력에 의해 상기 작업기를 구동 조작하는 유압 액추에이터와, 상기 선회체를 구동하기 위한 제2 전동기와, 상기 제1 및 제2 전동기를 구동하는 전력의 공급 및 상기 제1 및 제2 전동기에서 생성한 전력의 충전을 행하기 위한 복수의 축전 디바이스를 갖는 하이브리드식 건설 기계의 제어 방법이며,
   상기 조작 장치의 조작 상태에 따라서 상기 작업기와 상기 선회체의 복합적인 동작의 유무를 판단하는 제1 수순과,
   상기 수순에 의해 상기 작업기와 상기 선회체의 복합적인 동작으로 판단된 경우에, 상기 제2 전동기를, 상기 복수의 축전 디바이스 중, 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스와, 상기 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력에 의해, 구동 제어하는 제2 수순과,
   상기 유압 펌프를, 상기 엔진에 의해 구동 제어하는 제3 수순을 실행하는 제1 제어 모드를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계의 제어 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2 전동기를, 상기 엔진에 의해 상기 제1 전동기를 발전 구동하여 생성된 전력과, 상기 제1 제어 모드에서 선택된 적어도 하나의 축전 디바이스보다도 단위 중량당의 출력이 높고, 축적 에너지가 낮은 축전 디바이스로부터의 전력으로부터의 전력에 의해 구동 제어하는 제2 제어 모드를 구비하고,
   상기 제1 제어 모드에서 선택된 축전 디바이스의 잔량에 따라서 상기 제1 제어 모드와 상기 제2 제어 모드를 전환하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계의 제어 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는, 엔진 회전수를 제1 회전수로 제어하고, 상기 제2 제어 모드가 선택되어 있는 경우에는, 엔진 회전수를 상기 제1 회전수보다도 높은 제2 회전수로 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계의 제어 방법.

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