KR20170070133A - 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템 - Google Patents

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템 Download PDF

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마사히로 에가와
하루히코 가와사키
야스히로 요네하라
마사유키 고바야시
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케이와이비 가부시키가이샤
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Abstract

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)은, 유체압 액추에이터(31)에 작동 유체를 공급하는 유체압 펌프(26, 27)와, 상기 유체압 액추에이터(31)의 부하측 압력실(31a)로부터 배출되는 작동 유체에 의해 회전하는 회생용 회생 모터(46), 상기 회생 모터(46)에 연결되는 회전 전기 기기(48) 및 상기 회전 전기 기기(48)에 의해 발전된 전력을 축적하는 축전지(24)를 갖는 회생 유닛(45)과, 상기 부하측 압력실(31a)로부터 배출되는 작동 유체 중 상기 회생 모터(46)로 유도된 유량을 제외한 분을 블리딩하는 가변 스로틀(34)을 구비한다.

Description

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템{CONTROL SYSTEM OF HYBRID CONSTRUCTION MACHINE}
본 발명은, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템에 관한 것이다.
종래부터, 액추에이터로부터 유도되는 작동유를 이용하여 유압 모터를 회전시켜 에너지 회생을 행하는 하이브리드 건설 기계가 알려져 있다.
JP2011-241539A에는, 배터리의 온도가 저온 영역의 역치 이하 혹은 고온 영역의 역치 이상인 경우에, 붐 실린더의 피스톤 측실로부터 유압 모터로 유도되는 유압 회생량을 작게 하는 하이브리드 건설 기계가 개시되어 있다.
그러나, JP2011-241539A에 기재된 하이브리드 건설 기계에서는, 유압 회생량을 작게 한 경우에, 붐 실린더의 피스톤 측실로부터 배출되는 작동유의 유량이 감소하여, 붐 실린더의 작동 속도가 변동될 우려가 있다.
본 발명은, 회생 유량을 제어하여 변동시킨 경우에도 액추에이터의 작동 속도의 변동을 억제 가능한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템은, 유체압 액추에이터에 작동 유체를 공급하는 유체압 펌프와, 상기 유체압 액추에이터의 부하측 압력실로부터 배출되는 작동 유체에 의해 회전하는 회생용 회생 모터, 상기 회생 모터에 연결되는 회전 전기 기기 및 상기 회전 전기 기기에 의해 발전된 전력을 축적하는 축전지를 갖는 회생 유닛과, 상기 부하측 압력실로부터 배출되는 작동 유체 중 상기 회생 모터로 유도된 유량을 제외한 분을 블리딩하는 가변 스로틀을 구비한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템을 도시하는 회로도이다.
도 2는 배터리의 온도에 대한 배터리 온도 계수의 맵의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 배터리의 SOC에 대한 차지 계수의 맵의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템을 도시하는 회로도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
(제1 실시 형태)
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)에 대해 설명한다. 이하의 각 실시 형태에서는, 하이브리드 건설 기계가 유압 셔블인 경우에 대해 설명한다. 유압 셔블에서는, 작동 유체로서 작동유가 사용된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 유압 셔블은, 유체압 펌프로서의 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)를 구비한다. 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)는, 경사판의 틸팅각을 조정 가능한 가변 용량형 펌프이다. 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)는, 엔진(28)에 의해 구동되어 동축 회전한다.
제1 메인 펌프(26)로부터 토출되는 작동유는, 상류 측으로부터 차례로, 선회 모터(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(1)와, 아암 실린더(도시 생략)를 제어하는 아암 1속용 조작 밸브(2)와, 붐 실린더(도시 생략)를 제어하는 붐 2속용 조작 밸브(3)와, 예비용 어태치먼트(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(4)와, 좌측 주행용의 제1 주행용 모터(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(5)에 공급된다. 이들 선회 모터, 아암 실린더, 붐 실린더, 예비용 어태치먼트에 접속되는 유압 기기, 및 제1 주행용 모터가, 유체압 액추에이터(이하, 단순히 「액추에이터」라고 칭함)에 해당된다.
각 조작 밸브(1∼5)는, 제1 메인 펌프(26)로부터 각 액추에이터로 유도되는 작동유의 유량을 제어하여, 각 액추에이터의 동작을 제어한다. 각 조작 밸브(1∼5)는, 유압 셔블의 작업자가 조작 레버를 수동 조작하는 것에 수반하여 공급되는 파일럿압에 의해 조작된다.
각 조작 밸브(1∼5)는, 서로 병렬인 메인 통로로서의 중립 통로(6)와 패럴렐 통로(7)를 통해 제1 메인 펌프(26)에 접속되어 있다. 중립 통로(6)에 있어서의 조작 밸브(5)의 하류 측에는, 파일럿압을 생성하기 위한 파일럿압 생성 기구(8)가 설치된다. 파일럿압 생성 기구(8)는, 통과하는 작동유의 유량이 많으면 상류 측에 높은 파일럿압을 생성하고, 통과하는 작동유의 유량이 적으면 상류 측에 낮은 파일럿압을 생성한다.
중립 통로(6)는, 조작 밸브(1∼5) 전부가 중립 위치 또는 중립 위치 근방에 있는 경우에는, 제1 메인 펌프(26)로부터 토출된 작동유의 전부 또는 일부를 탱크로 유도한다. 이 경우, 파일럿압 생성 기구(8)를 통과하는 유량이 많아지므로, 높은 파일럿압이 생성된다.
한편, 조작 밸브(1∼5)가 풀 스트로크로 전환되면, 중립 통로(6)가 폐쇄되어 작동유의 유통이 없어진다. 이 경우, 파일럿압 생성 기구(8)를 통과하는 유량이 거의 없어져, 파일럿압은 제로를 유지하게 된다. 단, 조작 밸브(1∼5)의 조작량에 따라서는, 제1 메인 펌프(26)로부터 토출된 작동유의 일부가 액추에이터로 유도되고, 나머지가 중립 통로(6)로부터 탱크로 유도되게 된다. 그로 인해, 파일럿압 생성 기구(8)는, 중립 통로(6)의 작동유의 유량에 따른 파일럿압을 생성한다. 즉, 파일럿압 생성 기구(8)는, 조작 밸브(1∼5)의 조작량에 따른 파일럿압을 생성한다.
파일럿압 생성 기구(8)에는 파일럿 통로(9)가 접속된다. 파일럿 통로(9)에는, 파일럿압 생성 기구(8)에서 생성된 파일럿압이 유도된다. 파일럿 통로(9)는, 제1 메인 펌프(26)의 토출 용량(경사판의 틸팅각)을 제어하는 레귤레이터(10)에 접속된다.
레귤레이터(10)는, 파일럿 통로(9)의 파일럿압과 비례(비례 상수는 음의 수)하여 제1 메인 펌프(26)의 경사판의 틸팅각을 제어한다. 이에 의해, 레귤레이터(10)는, 제1 메인 펌프(26)의 1회전당 배기량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(1∼5)가 풀 스트로크로 전환되어 중립 통로(6)의 흐름이 없어져, 파일럿 통로(9)의 파일럿압이 제로로 되면, 제1 메인 펌프(26)의 틸팅각이 최대로 된다. 이때, 제1 메인 펌프(26)의 1회전당 배기량이 최대가 된다.
파일럿 통로(9)에는, 파일럿 통로(9)의 압력을 검출하는 제1 압력 센서(11)가 설치된다. 제1 압력 센서(11)에 의해 검출된 압력 신호는, 후술하는 컨트롤러(50)에 출력된다.
제2 메인 펌프(27)로부터 토출되는 작동유는, 상류 측으로부터 차례로, 우측 주행용의 제2 주행용 모터(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(12)와, 버킷 실린더(도시 생략)를 제어하는 조작 밸브(13)와, 붐 실린더(31)를 제어하는 붐 1속용 조작 밸브(14)와, 아암 실린더(도시 생략)를 제어하는 아암 2속용 조작 밸브(15)에 공급된다. 이들 제2 주행용 모터, 버킷 실린더, 붐 실린더(31), 및 아암 실린더가, 유체압 액추에이터(이하, 단순히 「액추에이터」라고 칭함)에 해당된다.
각 조작 밸브(12∼15)는, 제2 메인 펌프(27)로부터 각 액추에이터로 유도되는 작동유의 유량을 제어하여, 각 액추에이터의 동작을 제어한다. 각 조작 밸브(12∼15)는, 유압 셔블의 작업자가 조작 레버를 수동 조작하는 것에 수반하여 공급되는 파일럿압에 의해 조작된다.
각 조작 밸브(12∼15)는, 중립 통로(16)를 통해 제2 메인 펌프(27)에 접속되어 있다. 또한, 조작 밸브(13) 및 조작 밸브(14)는, 중립 통로(16)와 병렬인 패럴렐 통로(17)를 통해 제2 메인 펌프(27)에 접속되어 있다. 중립 통로(16)에 있어서의 조작 밸브(15)의 하류 측에는, 파일럿압을 생성하기 위한 파일럿압 생성 기구(18)가 설치된다. 파일럿압 생성 기구(18)는, 제1 메인 펌프(26) 측의 파일럿압 생성 기구(8)와 동일한 기능을 갖는 것이다.
파일럿압 생성 기구(18)에는 파일럿 통로(19)가 접속된다. 파일럿 통로(19)에는, 파일럿압 생성 기구(18)에서 생성된 파일럿압이 유도된다. 파일럿 통로(19)는 제2 메인 펌프(27)의 토출 용량(경사판의 틸팅각)을 제어하는 레귤레이터(20)에 접속된다.
레귤레이터(20)는, 파일럿 통로(19)의 파일럿압과 비례(비례 상수는 음의 수)하여 제2 메인 펌프(27)의 경사판의 틸팅각을 제어한다. 이에 의해, 레귤레이터(20)는, 제2 메인 펌프(27)의 1회전당 배기량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(12∼15)가 풀 스트로크로 전환되어 중립 통로(16)의 흐름이 없어져, 파일럿 통로(19)의 파일럿압이 제로로 되면, 제2 메인 펌프(27)의 틸팅각이 최대가 된다. 이때, 제2 메인 펌프(27)의 1회전당 배기량이 최대가 된다.
파일럿 통로(19)에는, 파일럿 통로(19)의 압력을 검출하는 제2 압력 센서(21)가 설치된다. 제2 압력 센서(21)에 의해 검출한 압력 신호는, 후술하는 컨트롤러(50)에 출력된다.
중립 통로(6, 16)에 있어서의 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)의 하류에는, 미리 설정된 소정의 메인 릴리프압을 초과하였을 때에 작동유를 릴리프하는 제1 메인 릴리프 밸브(62)와, 제1 메인 릴리프 밸브(62)와 비교하여 릴리프압이 낮게 설정되는 제2 메인 릴리프 밸브(63)와, 중립 통로(6, 16)를 제2 메인 릴리프 밸브(63)에 접속 가능한 전환 밸브(64)가 설치된다. 소정의 메인 릴리프압은, 각 액추에이터의 최저 작동압을 충분히 확보할 수 있을 정도로 높게 설정된다.
제1 메인 릴리프 밸브(62)는, 항상 중립 통로(6, 16)와 연통된다. 제2 메인 릴리프 밸브(63)는, 전환 밸브(64)가 개방 상태로 전환된 경우에 중립 통로(6, 16)와 연통된다. 이에 의해, 전환 밸브(64)가 개방 상태로 전환되면, 폐쇄 상태인 경우와 비교하여, 중립 통로(6, 16)의 릴리프압이 낮아진다.
중립 통로(16)로부터 분기된 분배 통로(60)에는, 직진 주행용 전환 밸브로서의 전환 밸브(61)가 설치된다. 제1 주행용 모터의 동작을 제어하는 조작 밸브(5)와 제2 주행용 모터의 동작을 제어하는 조작 밸브(12)가 동일 방향으로 진행하는 위치로 전환되면, 파일럿 통로(65)의 압력이 상승한다. 그것과 동시에, 조작 밸브(1∼4, 13∼15) 중 적어도 하나가 액추에이터를 동작시키도록 전환되면, 파일럿 통로(66)의 압력이 상승한다. 이에 의해, 전환 밸브(61)는 파일럿압에 의해 개방 상태로 전환된다.
전환 밸브(61)가 개방 상태로 전환되면, 제2 메인 펌프(27)로부터 토출된 작동유가, 조작 밸브(5) 및 조작 밸브(12)를 통해 제1 주행용 모터 및 제2 주행용 모터에 동일한 유량씩 공급된다. 이에 의해, 유압 셔블에서는, 작업자가 직진 주행시키려고 하였을 때에 다른 액추에이터가 작동해도, 그 영향을 받지 않고, 제1 주행용 모터와 제2 주행용 모터가 동일한 속도로 회전한다. 따라서, 유압 셔블은 직진 주행이 가능하다.
엔진(28)에는, 엔진(28)의 여력을 이용하여 발전하는 발전기(22)가 설치된다. 발전기(22)에서 발전된 전력은, 배터리 차저(23)를 통해 배터리(24)에 충전된다. 배터리 차저(23)는, 통상의 가정용 전원(25)에 접속한 경우에도, 배터리(24)에 전력을 충전할 수 있다.
배터리(24)에는, 배터리(24)의 온도를 검출하는 온도 검출기로서의 온도 센서(도시 생략)와, 배터리(24)의 전압을 검출하는 전압 검출기로서의 전압 센서(도시 생략)와, 검출한 온도와 전압으로부터 SOC(State of Charge: 충전 상태)를 연산하는 SOC 연산부(도시 생략)가 설치된다. 온도 센서, 전압 센서, 및 SOC 연산부는, 각각의 검출값에 따른 전기 신호를 후술하는 컨트롤러(50)에 출력한다.
또한, 온도 센서, 전압 센서, 및 SOC 연산부를, 배터리(24)에 설치하는 구성 대신에, 예를 들어 온도 센서와 전압 센서를 배터리(24)에 외장하고, SOC 연산부를 컨트롤러(50) 내에 설치해도 된다.
다음으로, 붐 실린더(31)에 대해 설명한다.
붐 실린더(31)의 동작을 제어하는 조작 밸브(14)는, 3위치의 전환 밸브이다. 조작 밸브(14)는, 유압 셔블의 작업자가 조작 레버(55)를 수동 조작하는 것에 수반하여 파일럿 펌프(29)로부터 파일럿 밸브(56)를 통해 파일럿실(14b, 14c)에 공급되는 파일럿압에 의해 조작된다. 붐 2속용 조작 밸브(3)는, 작업자에 의한 조작 레버(55)의 조작량이 소정량보다 큰 경우에, 조작 밸브(14)에 연동하여 전환된다.
파일럿실(14b)에 파일럿압이 공급된 경우에는, 조작 밸브(14)는 신장 위치(도 1에서는 우측 위치)로 전환된다. 조작 밸브(14)가 신장 위치로 전환되면, 제2 메인 펌프(27)로부터 토출된 작동유가 급배 통로(30)를 통해 붐 실린더(31)의 피스톤 측실(31a)에 공급됨과 함께, 로드 측실(31b)로부터의 복귀 작동유가 급배 통로(33)를 통해 탱크로 배출된다. 따라서, 붐 실린더(31)는 신장하고, 붐은 상승한다.
한편, 파일럿실(14c)에 파일럿압이 공급된 경우에는, 조작 밸브(14)는 수축 위치(도 1에서는 좌측 위치)로 전환된다. 조작 밸브(14)가 수축 위치로 전환되면, 제2 메인 펌프(27)로부터 토출된 작동유가 급배 통로(33)를 통해 붐 실린더(31)의 로드 측실(31b)에 공급됨과 함께, 피스톤 측실(31a)로부터의 복귀 작동유가 급배 통로(30)를 통해 탱크로 배출된다. 따라서, 붐 실린더(31)는 수축하고, 붐은 하강한다.
또한, 파일럿실(14b, 14c)에 모두 파일럿압이 공급되지 않는 경우에는, 조작 밸브(14)는 중립 위치(도 1에 도시하는 상태)로 전환된다. 조작 밸브(14)가 중립 위치로 전환되면, 붐 실린더(31)에 대한 작동유의 급배가 차단되어, 붐은 정지한 상태를 유지한다.
조작 밸브(14)를 중립 위치로 전환하여 붐의 움직임을 멈춘 경우, 버킷, 아암, 및 붐 등의 자중에 의해, 붐 실린더(31)에는 수축하는 방향의 힘이 작용한다. 이와 같이, 붐 실린더(31)는, 조작 밸브(14)가 중립 위치인 경우에는 피스톤 측실(31a)에 의해 부하를 유지하는 것이다. 따라서, 피스톤 측실(31a)이 부하측 압력실에 해당된다.
하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)은, 붐 실린더(31)로부터의 작동유의 에너지를 회수하여 에너지 회생을 행하는 회생 유닛(45)을 구비한다. 이하에서는, 그 회생 유닛(45)에 대해 설명한다.
회생 유닛(45)은, 붐 실린더(31)의 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유에 의해 회전하는 회생용 회생 모터(46)와, 회생 모터(46)에 연결되는 발전기 겸용의 회전 전기 기기로서의 전동 모터(48)와, 전동 모터(48)가 발전한 전력을 직류로 변환하는 인버터(49)와, 전동 모터(48)에 의해 발전된 전력을 축적하는 축전지로서의 배터리(24)를 갖는다.
회생 유닛(45)에 의한 회생 제어는, 컨트롤러(50)에 의해 실행된다. 컨트롤러(50)는, 회생 제어를 실행하는 CPU(중앙 연산 처리 장치)와, CPU의 처리 동작에 필요한 제어 프로그램이나 설정값 등이 기억된 ROM(리드 온리 메모리)과, 각종 센서가 검출한 정보를 일시적으로 기억하는 RAM(랜덤 액세스 메모리)을 구비한다.
회생 모터(46)는, 틸팅각을 조정 가능한 가변 용량형 모터이며, 전동 모터(48)와 동축 회전하도록 연결되어 있다. 회생 모터(46)는, 전동 모터(48)를 구동 가능하다. 전동 모터(48)가 발전기로서 기능한 경우에는, 전동 모터(48)에서 발전된 전력은 인버터(49)를 통해 배터리(24)에 충전된다. 회생 모터(46)와 전동 모터(48)는, 직접 연결되어도 되고, 감속기를 통해 연결되어도 된다.
회생 모터(46)의 상류에는, 회생 모터(46)에의 작동유의 공급량이 충분하지 않게 된 경우에, 탱크로부터 후술하는 회생 통로(52)에 작동유를 흡입해 올려 회생 모터(46)에 공급하는 흡상 통로(51)가 접속된다. 흡상 통로(51)에는, 탱크로부터 회생 통로(52)로의 작동유의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(51a)가 설치된다.
붐 실린더(31)의 피스톤 측실(31a)과 조작 밸브(14)를 접속하는 급배 통로(30)에는, 컨트롤러(50)의 출력 신호에 의해 개방도가 제어되는 가변 스로틀로서의 전자 비례 스로틀 밸브(34)가 설치된다. 전자 비례 스로틀 밸브(34)는 노멀 상태에서 완전 개방 위치를 유지한다.
전자 비례 스로틀 밸브(34)는, 붐 실린더(31)의 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유 중 회생 모터(46)로 유도된 유량을 제외한 분을, 조작 밸브(14)를 통해 탱크에 블리딩한다. 전자 비례 스로틀 밸브(34)는, 회생 모터(46)로 유도되는 작동유가 회생 유닛(45)의 회생 능력을 초과하지 않도록 블리드 유량을 조정한다. 전자 비례 스로틀 밸브(34)에 의한 블리드 유량의 조정에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
급배 통로(30)에는, 피스톤 측실(31a)과 전자 비례 스로틀 밸브(34) 사이로부터 분기되는 회생 통로(52)가 접속된다. 회생 통로(52)는, 피스톤 측실(31a)로부터의 복귀 작동유를 회생 모터(46)로 유도하기 위한 통로이다.
회생 통로(52)에는, 컨트롤러(50)로부터 출력되는 신호에 의해 전환 제어되는 회생용 전환 밸브로서의 전환 밸브(53)가 설치된다.
전환 밸브(53)는, 솔레노이드가 비여자일 때에 폐쇄 위치(도 1에 도시하는 상태)로 전환되어 회생 통로(52)를 차단한다. 전환 밸브(53)는, 솔레노이드가 여자되었을 때에 개방 위치로 전환되어 회생 통로(52)를 연통시킨다. 전환 밸브(53)는, 회생 유닛(45)의 페일 시에 피스톤 측실(31a)로부터 회생 모터(46)로 유도되는 작동유를 차단한다. 따라서, 회생 유닛(45)의 페일 시에는, 회생 유닛(45)에 작동유가 유도되지 않으므로, 하이브리드 건설 기계를 통상의 유압 셔블로서 동작시킬 수 있다.
조작 밸브(14)에는, 조작 밸브(14)의 조작 방향과 그 조작량을 검출하는 센서(14a)가 설치된다. 센서(14a)에 의해 검출된 압력 신호는 컨트롤러(50)에 출력된다. 조작 밸브(14)의 조작 방향과 그 조작량을 검출하는 것은, 붐 실린더(31)의 신축 방향과 그 신축 속도를 검출하는 것과 등가이다. 따라서, 센서(14a)는, 붐 실린더(31)의 동작 상태를 검출하는 동작 상태 검출기로서 기능한다. 센서(14a)는, 파일럿실(14b, 14c)의 압력을 검출하는 압력 센서여도 된다.
또한, 센서(14a) 대신에, 붐 실린더(31)에 피스톤 로드의 이동 방향과 그 이동량을 검출하는 센서를 동작 상태 검출기로서 설치해도 된다. 또한, 조작 레버(55)에 조작 레버(55)의 조작 방향과 그 조작량을 검출하는 센서를 설치해도 된다.
컨트롤러(50)는, 센서(14a)의 검출 결과에 기초하여, 작업자가 붐 실린더(31)를 신장시키려고 하고 있는 것인지, 또는 수축시키려고 하고 있는 것인지를 판정한다. 컨트롤러(50)는, 붐 실린더(31)의 신장 동작을 판정하면, 전자 비례 스로틀 밸브(34)를 노멀 상태인 완전 개방 위치로 유지함과 함께, 전환 밸브(53)를 폐쇄 위치로 유지한다.
한편, 컨트롤러(50)는, 붐 실린더(31)의 수축 동작을 판정하면, 조작 밸브(14)의 조작량에 따라서 작업자가 요구하고 있는 붐 실린더(31)의 수축 속도를 연산하여, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 교축함과 함께, 전환 밸브(53)를 개방 위치로 전환한다. 이에 의해, 붐 실린더(31)로부터의 복귀 작동유의 일부 또는 전부가 회생 모터(46)로 유도되어, 붐 회생이 행해진다.
다음으로, 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)의 출력을 어시스트하는 어시스트 펌프(47)에 대해 설명한다.
어시스트 펌프(47)는, 틸팅각을 조정 가능한 가변 용량형 펌프이며, 회생 모터(46)와 동축 회전하도록 연결되어 있다. 어시스트 펌프(47)는, 회생 유닛(45)의 회생 구동력과 전동 모터(48)의 구동력에 의해 회전한다. 전동 모터(48)의 회전수는, 인버터(49)를 통해 컨트롤러(50)에 의해 제어된다. 어시스트 펌프(47) 및 회생 모터(46)의 경사판의 틸팅각은, 레귤레이터(35, 36)를 통해 컨트롤러(50)에 의해 제어된다.
어시스트 펌프(47)에는, 어시스트 통로로서의 토출 통로(37)가 접속된다. 어시스트 펌프(47)는, 토출 통로(37)를 통해 작동유를 중립 통로(6, 16)에 공급가능하다. 토출 통로(37)는, 제1 메인 펌프(26)의 토출 측에 합류하는 제1 어시스트 통로(38)와, 제2 메인 펌프(27)의 토출 측에 합류하는 제2 어시스트 통로(39)로 분기되어 형성된다.
제1, 제2 어시스트 통로(38, 39) 각각에는, 컨트롤러(50)로부터의 출력 신호에 의해 개방도가 제어되는 제1, 제2 전자 비례 스로틀 밸브(40, 41)가 설치된다. 또한, 제1, 제2 어시스트 통로(38, 39) 각각에는, 제1, 제2 전자 비례 스로틀 밸브(40, 41)의 하류에, 어시스트 펌프(47)로부터 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)로의 작동유의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(42, 43)가 설치된다.
전동 모터(48)의 구동력에 의해 어시스트 펌프(47)가 회전하면, 어시스트 펌프(47)는 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)를 어시스트한다. 컨트롤러(50)는, 제1, 제2 압력 센서(11, 21)로부터의 압력 신호에 따라서, 제1, 제2 전자 비례 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어하고, 어시스트 펌프(47)로부터 토출된 작동유를 안분하여 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)의 토출 측에 공급한다.
회생 통로(52)를 통해 회생 모터(46)에 작동유가 공급되면, 회생 모터(46)의 회전력은 동축 회전하는 전동 모터(48)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 회생 모터(46)의 회전력 분만큼, 전동 모터(48)의 소비 전력을 적게 할 수 있다.
회생 모터(46)가 전동 모터(48)를 구동하여 발전하는 경우에는, 어시스트 펌프(47)는 틸팅각이 제로로 설정되어 거의 무부하 상태로 된다.
다음으로, 주로 도 2 및 도 3을 참조하여, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)에 있어서의 회생 제어에 대해 설명한다.
도 2에 나타내는 맵에서는, 횡축이 배터리(24)의 온도 T[℃]이고, 종축이 배터리 온도 계수 ftemp이다. 배터리 온도 계수 ftemp는, 최대값이 1로 설정되는 계수이다.
배터리(24)는, 적정한 온도의 범위보다 낮은 경우 및 높은 경우에는, 차지 성능이 저하된다. 여기서는, T2[℃] 이상이고 T3[℃] 이하인 범위가, 적정한 온도의 범위이다. 그로 인해, 배터리(24)의 온도 T가 T2[℃]보다 낮은 경우에는, 배터리 온도 계수 ftemp는, T1[℃]을 향해 온도가 낮아질수록 작아지도록 설정된다. 그리고, 배터리 온도 계수 ftemp는, 배터리(24)의 온도 T가 T1[℃]로 되면 제로로 된다.
마찬가지로, 배터리(24)의 온도 T가 T3[℃]보다 높은 경우에는, 배터리 온도 계수 ftemp는, T4[℃]를 향해 온도가 높아질수록 작아지도록 설정된다. 그리고, 배터리 온도 계수 ftemp는, 배터리(24)의 온도 T가 T4[℃]로 되면 제로로 된다.
한편, 도 3에 나타내는 맵에서는, 횡축이 배터리(24)의 SOC[％]이고, 종축이 차지 계수 fc이다. 차지 계수 fc는, 최대값이 1로 설정되는 계수이다.
배터리(24)는, SOC가 소정의 범위보다 높은 경우에는, 과충전을 방지하기 위해 차지량을 저하시킬 필요가 있다. 여기서는, 배터리(24)에 충전 가능한 SOC의 최대값은 SOC2[％]이다. 그로 인해, 배터리(24)의 SOC가, SOC2[％]보다 낮게 설정되는 SOC1[％]보다 높은 경우에는, 차지 계수 fc는, SOC2[％]를 향해 SOC가 높아질수록 작아지도록 설정된다. 그리고, 차지 계수 fc는, 배터리(24)의 SOC가 SOC2[％]로 되면 제로로 된다.
컨트롤러(50)는, 센서(14a)의 검출 결과에 기초하여, 붐 실린더(31)가 수축 동작 중이라고 판정하면, 전환 밸브(53)를 개방 위치로 전환한다. 이에 의해, 붐 실린더(31)가 수축할 때, 피스톤 측실(31a)로부터 복귀 작동유가 회생 모터(46)로 유도되어, 붐 회생의 회생 제어가 개시된다.
먼저, 배터리(24)의 온도에 따른 전기 신호와, 배터리(24)의 SOC에 따른 전기 신호가, 배터리(24)로부터 컨트롤러(50)에 입력된다. 컨트롤러(50)는, 도 2의 맵으로부터, 배터리(24)의 온도에 대응하는 배터리 온도 계수 ftemp를 구하고, 도 3의 맵으로부터, 배터리(24)의 SOC에 대응하는 차지 계수 fc를 구한다.
여기서, 붐이 하강하여 붐 실린더(31)가 수축할 때에 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유는, 유량 Q 중 Qc가 회생 모터(46)에 흐르게 하는 유량으로서 지령되고, 나머지 Qb로 되는 유량 (Q－Qc)이 전자 비례 스로틀 밸브(34) 및 조작 밸브(14)를 통해 탱크로 블리딩된다.
이때, 컨트롤러(50)는, 배터리(24)의 상태에 기초하여 회생 모터(46)로 유도할 수 있는 작동유의 유량 Qc×배터리 온도 계수 ftemp×차지 계수 fc를 연산 지령한다. 또한, 컨트롤러(50)는 유량 Qb＋유량 Qc×(1－배터리 온도 계수 ftemp×차지 계수 fc)의 작동유를 블리딩하도록 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 조정한다.
이와 같이, 회생 유닛(45)의 회생량은, 배터리(24)의 온도가 미리 규정된 범위보다 높은 경우 및 낮은 경우에 낮아지도록 설정되고, 또한 배터리(24)의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에 낮아지도록 설정된다. 또한, 컨트롤러(50)는, 배터리(24)의 온도가 미리 규정된 범위보다 높은 경우 및 낮은 경우에 블리드 유량이 유량 Qc×(1－배터리 온도 계수 ftemp×차지 계수 fc)분만큼 많아지도록, 또한 배터리(24)의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에도 유량 Qc×(1－배터리 온도 계수 ftemp×차지 계수 fc)분만큼 많아지도록 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 조정한다.
따라서, 배터리(24)의 온도가 미리 규정된 범위보다 높은 경우 및 낮은 경우에는, 배터리(24)의 온도가 미리 규정된 범위 내에 있는 경우보다 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도가 커져, 블리드 유량이 많아진다. 또한, 배터리(24)의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에도 마찬가지로, 배터리(24)의 SOC가 미리 규정된 용량의 범위 내에 있는 경우보다 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도가 커져, 블리드 유량이 많아진다. 그로 인해, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 조정함으로써, 붐이 하강하여 붐 실린더(31)가 수축할 때에 피스톤 측실(31a)로부터 배출되어 회생 모터(46)로 유도되는 작동유의 유량이 회생 유닛(45)의 회생 능력을 초과하지 않도록 조정할 수 있다.
회생 유량이 회생 유닛(45)의 회생 능력을 초과하지 않도록 조정함으로써, 회생 유닛(45)에 작동유가 과잉으로 유도되어 배터리(24)가 과잉으로 충전되는 것이 방지된다. 따라서, 회생 유량을 제어하여 변동시킨 경우에도, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 제어하여 블리드 유량을 조정함으로써, 붐 실린더(31)의 작동 속도의 변동을 억제 가능하다. 이에 의해, 붐의 하강 속도가 배터리(24)의 온도나 SOC의 상태에 따라 변동되는 일이 없으므로, 조작 시의 위화감을 없애는 것이 가능하다.
또한, 종래는, 회생 유량을 제어하여 변동시킨 경우의 붐 하강 속도의 저하를 방지하기 위해, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 크게 하여 블리드 유량을 많이 설정하고 있었다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는, 회생 유닛(45)의 회생 능력에 따라서 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 조정하므로, 붐의 하강 속도의 저하를 방지하기 위해 미리 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 크게 하여 블리드 유량을 많이 설정해 둘 필요가 없다. 따라서, 에너지 절약 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
이상의 제1 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 효과를 발휘한다.
붐이 하강하여 붐 실린더(31)가 수축할 때, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유 중 회생 모터(46)로 유도된 유량을 제외한 분이, 전자 비례 스로틀 밸브(34)를 통해 블리딩된다. 따라서, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도를 조정함으로써, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되어 회생 모터(46)로 유도되는 작동유의 유량이 회생 유닛(45)의 회생 능력을 초과하지 않도록 조정할 수 있다. 따라서, 회생 유닛(45)에 작동유가 과잉으로 유도되는 것이 방지되므로, 회생 유량을 제어하여 변동시킨 경우에도 붐 실린더(31)의 작동 속도의 변동을 억제 가능하다.
(제2 실시 형태)
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(200)에 대해 설명한다. 이하에서는, 상기한 실시 형태와 상이한 점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 기능을 갖는 구성에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(200)은, 전자 비례 스로틀 밸브(34)와 전환 밸브(53)가 단일 밸브로서 설치되는 점에서, 제1 실시 형태와는 상이하다.
하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(200)은, 붐 실린더(31)가 수축할 때, 피스톤 측실(31a)로부터 회생 모터(46)로 유도되는 작동유의 유량과, 블리딩되는 블리드 유량을 제어하는 회생 제어 밸브로서의 붐 회생 밸브(70)를 구비한다.
붐 회생 밸브(70)는, 제1 실시 형태에 있어서의 전자 비례 스로틀 밸브(34)와 전환 밸브(53)의 기능을 갖고, 컨트롤러(50)로부터의 단일의 제어 신호에 의해 전환된다. 붐 회생 밸브(70)는, 솔레노이드(70a)가 비여자일 때에는, 복귀 스프링(70b)의 가압력에 의해, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유 전부가 블리딩되도록 전환된다(도 4에 도시하는 상태). 이 상태는, 제1 실시 형태에 있어서, 전환 밸브(53)가 폐쇄 위치로 전환됨과 함께, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도가 최대로 조정된 상태에 상당한다.
한편, 붐 회생 밸브(70)는, 솔레노이드(70a)가 여자되면, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유의 일부를 회생 모터(46)로 유도하고, 그만큼 블리드 유량을 교축하도록 전환된다. 이 상태는, 제1 실시 형태에 있어서, 전환 밸브(53)가 개방 위치로 전환됨과 함께, 전자 비례 스로틀 밸브(34)의 개방도가 작게 조정된 상태에 상당한다.
붐 회생 밸브(70)는, 여자 전류가 커질수록 블리드 유량이 작아지도록 조정한다. 이때, 블리드 유량은, 여자 전류에 대해 비례적으로 변화한다(비례 상수는 음의 수).
컨트롤러(50)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 배터리(24)의 온도가 미리 규정된 범위보다 높은 경우 및 낮은 경우에 블리드 유량이 많아지도록, 또한 배터리(24)의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에 블리드 유량이 많아지도록 붐 회생 밸브(70)의 솔레노이드(70a)의 여자 전류를 조정한다. 회생 제어의 구체적인 내용은 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 여기서는 설명을 생략한다.
이상의 제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 붐이 하강하여 붐 실린더(31)가 수축할 때, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유 중 회생 모터(46)로 유도된 유량을 제외한 분이, 붐 회생 밸브(70)를 통해 블리딩된다. 따라서, 붐 회생 밸브(70)의 개방도를 조정함으로써, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되어 회생 모터(46)로 유도되는 작동유의 유량이 회생 유닛(45)의 회생 능력을 초과하지 않도록 조정할 수 있다. 따라서, 회생 유닛(45)에 작동유가 과잉으로 유도되는 것이 방지되므로, 회생 유량을 제어하여 변동시킨 경우에도, 붐 회생 밸브(70)의 개방도를 조정함으로써 붐 실린더(31)의 작동 속도의 변동을 억제 가능하다.
또한, 붐 회생 밸브(70)는, 전자 비례 스로틀 밸브(34)와 전환 밸브(53)의 기능을 갖고, 컨트롤러(50)로부터의 단일의 제어 신호에 의해 전환된다. 그로 인해, 전자 비례 스로틀 밸브(34)와 전환 밸브(53)를 각각의 제어 신호에 의해 전환하는 경우와 비교하여, 용이하게 회생 제어를 실행하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시 형태의 구성, 작용 및 효과를 통합하여 설명한다.
하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100, 200)은, 붐 실린더(31)에 작동유를 공급하는 제1, 제2 메인 펌프(26, 27)와, 붐 실린더(31)의 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유에 의해 회전하는 회생용 회생 모터(46), 회생 모터(46)에 연결되는 전동 모터(48) 및 전동 모터(48)에 의해 발전된 전력을 축적하는 배터리(24)를 갖는 회생 유닛(45)과, 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유 중 회생 모터(46)로 유도된 유량을 제외한 분을 블리딩하는 전자 비례 스로틀 밸브(34)(붐 회생 밸브(70))를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에서는, 붐 실린더(31)의 피스톤 측실(31a)로부터 배출되는 작동유 중 회생 모터(46)로 유도된 유량을 제외한 분이, 전자 비례 스로틀 밸브(34)(붐 회생 밸브(70))를 통해 블리딩된다. 따라서, 전자 비례 스로틀 밸브(34)(붐 회생 밸브(70))의 개방도를 조정함으로써, 피스톤 측실(31a)로부터 배출된 유량 중 회생 모터(46)로 유도되는 작동유의 유량을 제외한 블리드 유량을 조정할 수 있다. 따라서, 회생 유량을 제어하여 변동시킨 경우에도 붐 실린더(31)의 작동 속도의 변동을 억제 가능하다.
또한, 전자 비례 스로틀 밸브(34)(붐 회생 밸브(70))는, 회생 모터(46)로 유도되는 작동유가 회생 유닛(45)의 회생량을 초과하지 않도록 블리드 유량을 조정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 회생 유닛(45)의 회생량은, 배터리(24)의 온도가 미리 규정된 범위보다 높은 경우 및 낮은 경우에 낮아지도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 회생 유닛(45)의 회생량은, 배터리(24)의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에 낮아지도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
이들 구성에서는, 회생 유닛(45)의 회생량은, 배터리(24)의 온도와 SOC의 용량 중 적어도 어느 한쪽에 기초하여 설정된다. 그리고, 전자 비례 스로틀 밸브(34)(붐 회생 밸브(70))는, 회생 유닛(45)의 회생량을 초과하지 않도록 블리드 유량을 조정한다. 그로 인해, 회생 유닛(45)에 작동유가 과잉으로 유도되는 것이 방지된다. 따라서, 붐의 하강 속도가 배터리(24)의 온도나 SOC의 상태에 따라 변동되는 일이 없으므로, 조작 시의 위화감을 없애는 것이 가능하다.
또한, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(100)은, 회생 유닛(45)의 페일 시에 피스톤 측실(31a)로부터 회생 모터(46)로 유도되는 작동유를 차단하는 전환 밸브(53)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에서는, 회생 유닛(45)의 페일 시에는, 회생 유닛(45)에 작동유가 유도되지 않으므로, 하이브리드 건설 기계를 통상의 유압 셔블로서 동작시킬 수 있다.
또한, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템(200)은, 유압 셔블의 회생 제어를 실행하는 컨트롤러(50)를 더 구비하고, 전자 비례 스로틀 밸브와 전환 밸브(붐 회생 밸브(70))는, 컨트롤러(50)로부터의 단일의 제어 신호에 의해 전환되는 것을 특징으로 한다.
이 구성에서는, 컨트롤러(50)로부터의 단일의 제어 신호에 의해 붐 회생 밸브(70)를 전환함으로써, 전자 비례 스로틀 밸브(34)와 전환 밸브(53)를 각각의 제어 신호에 의해 전환하는 경우와 비교하여, 용이하게 회생 제어를 실행하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 도 2 및 도 3에 도시하는 맵을 사용하여 각종 계수를 구하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 함수를 사용하여 각종 계수를 구해도 된다.
본원은 2014년 12월 5일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2014-246911호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (7)

  1. 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템이며,
    유체압 액추에이터에 작동 유체를 공급하는 유체압 펌프와,
    상기 유체압 액추에이터의 부하측 압력실로부터 배출되는 작동 유체에 의해 회전하는 회생용 회생 모터, 상기 회생 모터에 연결되는 회전 전기 기기 및 상기 회전 전기 기기에 의해 발전된 전력을 축적하는 축전지를 갖는 회생 유닛과,
    상기 부하측 압력실로부터 배출되는 작동 유체 중 상기 회생 모터로 유도된 유량을 제외한 분을 블리딩하는 가변 스로틀을 구비하는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 스로틀은, 상기 회생 모터로 유도되는 작동 유체가 상기 회생 유닛의 회생량을 초과하지 않도록 블리드 유량을 조정하는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회생 유닛의 회생량은, 상기 축전지의 온도가 미리 규정된 범위보다 높은 경우 및 낮은 경우에, 상기 축전지의 온도가 미리 규정된 범위 내에 있는 경우보다 낮아지도록 설정되는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회생 유닛의 회생량은, 상기 축전지의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에, 상기 축전지의 SOC가 미리 규정된 용량의 범위 내에 있는 경우보다 낮아지도록 설정되는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 회생 유닛의 회생량은, 상기 축전지의 SOC가 미리 규정된 용량보다 높은 경우에, 상기 축전지의 SOC가 미리 규정된 용량의 범위 내에 있는 경우보다 낮아지도록 설정되는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회생 유닛의 페일 시에 상기 부하측 압력실로부터 상기 회생 모터로 유도되는 작동 유체를 차단하는 회생용 전환 밸브를 더 구비하는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하이브리드 건설 기계의 회생 제어를 실행하는 컨트롤러를 더 구비하고,
    상기 가변 스로틀과 상기 회생용 전환 밸브는, 상기 컨트롤러로부터의 단일의 제어 신호에 의해 전환되는, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템.
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