KR20200035989A - 하이브리드식 작업 기계 - Google Patents

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KR20200035989A
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아키라 와타나베
겐 다케우치
다다시 오사카
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히다치 겡키 가부시키 가이샤
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Abstract

엔진 냉각 시스템(22)은 엔진(11)과, 엔진 냉각 관로(23)와, 엔진용 워터 펌프(24)와, 엔진용 라디에이터(25)를 포함하여 구성되어 있다. 축전 장치 냉각 시스템(27)은 축전 장치(19)와, 축전 장치 냉각 관로(28)와, 축전 장치용 워터 펌프(29)와, 축전 장치용 라디에이터(31)를 포함하여 구성되어 있다. 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 각각 따로따로의 전열 매체(엔진 냉각수, 축전 장치 냉각수)가 유통한다. 또한, 엔진 냉각 관로(23)의 도중이고, 또한, 축전 장치 냉각 관로(28)의 도중에는, 엔진 냉각수와 축전 장치 냉각수 사이에서 열 교환을 행하는 가온 열교환기(32)가 마련되어 있다.

Description

하이브리드식 작업 기계
본 발명은, 예를 들면, 엔진, 전동기, 축전 장치가 탑재된 유압 셔블, 유압 크레인, 휠 로더 등의 하이브리드식 작업 기계에 관한 것이다.
예를 들면, 하이브리드 셔블 등의 하이브리드식 작업 기계는, 축전 장치에 축전된 전력을 동력원으로 하여 가동한다. 이와 같은 하이브리드식 작업 기계는, 축전 장치를 구성하는 리튬 이온 전지 등의 축전지가 충방전에 의해서 발열하기 때문에, 축전지를 냉각하기 위한 냉각 장치를 구비하고 있다. 즉, 축전지의 사용 상한 온도가 만일 50℃인 경우, 축전지는, 사용 상한 온도를 초과하지 않도록 냉각 장치에 의해 냉각을 행하면서 사용된다. 그러나, 냉각이 소용없이 사용 상한 온도 가까이까지 온도가 상승한 경우에는, 축전지의 충방전량을 제한함으로써, 축전지의 보호를 행한다. 사용 상한 온도를 초과한 상태가 계속되면, 축전지의 열화가 진행되어, 수명의 저하를 초래할 우려가 있기 때문에, 바람직하지 않다.
한편, 축전지는, 저온이 되면 성능이 저하되기 때문에, 저온 환경하에서도 충분한 동력원을 얻기 위해서는, 축전지를 데워서 사용할 필요가 있다. 여기서, 자동차는, 차 내 거주 스페이스 내의 공기를 이용하여 축전지의 난기(暖機)(가온(加溫))를 행할 수 있다. 이에 비하여, 작업 기계는, 「캡(cab) 내에서 반드시 에어 컨디셔너(공조기)를 이용하고 있지는 않은 것」, 「공사 현장에서 동작하는 경우가 많아 공기에 분진을 많이 포함하는 것」 등의 이유로부터, 캡 내의 공기를 난기에 이용할 수 없는 경우가 많다. 이 때문에, 작업 기계의 축전지의 난기에, 엔진 냉각수를 이용하는 것이 고려되고 있다(특허문헌 1).
특허문헌 1에 기재된 하이브리드 건설 기계는, 엔진 냉각 시스템의 유로에 난기 전환 밸브가 마련되어 있다. 이 경우, 난기 전환 밸브는, 엔진 냉각수를 축전 장치에 공급하는 전환 위치를 갖고 있고, 이 위치로 난기 전환 밸브를 전환함으로써, 엔진 냉각수에 의해서 축전지를 데울 수 있다.
일본 공개특허 특개2012-154092호 공보
특허문헌 1의 기술에 의하면, 엔진 냉각 시스템으로부터 직접 분기되는 경로를 통하여, 축전 장치에 엔진 냉각수를 공급한다. 즉, 특허문헌 1의 기술의 경우, 엔진과 축전 장치는 공통의 냉각수 순환 시스템을 사용하고 있다. 이 때문에, 예를 들면, 축전 장치에서 냉각수 누설이 발생한 경우, 이 축전 장치에 공급하는 엔진 냉각수가 없어질뿐만 아니라, 엔진이나 엔진 냉각수를 사용하는 다른 기기의 냉각을 할 수 없게 될 가능성이 있다.
여기서, 실제의 작업 기계의 차체의 레이아웃을 고려하였을 경우, 축전 장치는 반드시 엔진의 근방에 있지는 않기 때문에, 엔진과 축전 장치와의 사이를 긴 경로의 냉각 관로에 의해 배치할 필요가 있다. 예를 들면, 엔진을 차체의 후측의 중앙부에 탑재하고, 엔진용 라디에이터를 차체의 좌 후측에 탑재하고, 축전 장치를 차체의 우 전측에 탑재하고, 또한, 차체의 좌 전측에 탑재된 캡 내에 히터 코어를 마련한 레이아웃을 고려한다. 이 경우, 엔진 냉각수의 관로는, 이들 4개의 기기 모두를 접속하는 배치로 된다.
구체적으로는, 엔진 내를 통과하여 엔진으로부터 흘러 나온 엔진 냉각수의 냉각 관로는, 차체 후측의 중앙부로부터 3방향으로 분기되게 된다. 이 경우, 한 개째의 분기에 의한 엔진 냉각수의 경로는, 차체 우 전측의 축전 장치를 향하여 흘러, 축전 장치를 통과하고 나서, 엔진의 상류측으로 되돌아가는 경로가 된다. 두 개째의 분기에 의한 엔진 냉각수의 경로는, 차체 좌 전측의 캡 내의 히터 코어를 향하여 흘러, 히터 코어를 통과하고 나서, 엔진의 상류측으로 되돌아가는 경로가 된다. 세 개째의 분기에 의한 엔진 냉각수의 경로는, 차체 좌 후측의 엔진용 라디에이터를 향하여 흘러, 이 라디에이터를 통과하고 나서, 엔진의 상류측으로 되돌아가는 경로가 된다. 이와 같이, 종래 기술에 의하면, 실제의 차체에 적용하는 것을 고려하면, 긴 경로의 냉각 관로가 필요해져, 냉각 관로에서의 냉각수 누출의 발생의 가능성이 높아질 우려가 있다.
또, 종래 기술에 의하면, 엔진 냉각수가 축전 장치에 직접 흘러 들어가는 구성이 되어 있다. 여기서, 엔진 냉각수의 온도는, 예를 들면, 80℃ 내지 99℃ 정도이다. 이에 비하여, 축전 장치가 리튬 이온 전지의 경우, 사용 상한 온도는, 예를 들면, 50℃ 내지 60℃ 정도이다. 이 때문에, 엔진 냉각수를 축전 장치의 난기에 직접 이용하는 구성의 경우, 축전 장치의 사용 상한 온도를 초과하지 않도록, 엔진 냉각수를 축전 장치측에 공급하는 난기 전환 밸브를 정밀하게 제어할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 전열 매체(냉매, 열매)의 누설의 리스크를 낮게 할 수 있고, 또한, 축전 장치를 난기하기 위한 전열 매체의 온도의 조정을 용이하게 행할 수 있는 하이브리드식 작업 기계를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 하이브리드식 작업 기계는, 작업 장치가 장착되는 자주(自走) 가능한 차체와, 상기 차체에 탑재된 엔진과, 상기 엔진에 의해서 회전 구동됨으로써 발전을 행하거나, 또는, 전력이 공급됨으로써 상기 엔진의 구동을 보조하는 전동기와, 상기 전동기에 의한 발전 전력을 축전하거나, 또는, 축전된 전력을 상기 전동기에 공급하는 축전 장치와, 상기 엔진을 냉각하는 엔진용 전열 매체가 유통하는 엔진 냉각 관로와, 상기 엔진용 전열 매체를 상기 엔진 냉각 관로에 공급하는 엔진 냉각용 펌프와, 상기 엔진 냉각 관로를 개재하여 상기 엔진과 접속되고, 상기 엔진용 전열 매체의 방열을 행하는 엔진용 라디에이터와, 상기 축전 장치를 냉각하는 축전 장치용 전열 매체가 유통하는 축전 장치 냉각 관로와, 상기 축전 장치용 전열 매체를 상기 축전 장치 냉각 관로에 공급하는 축전 장치 냉각용 펌프와, 상기 축전 장치 냉각 관로를 개재하여 상기 축전 장치와 접속되고, 상기 축전 장치용 전열 매체의 방열을 행하는 축전 장치용 라디에이터를 구비한 하이브리드식 작업 기계에 있어서, 상기 엔진, 상기 엔진 냉각 관로, 상기 엔진 냉각용 펌프 및 상기 엔진용 라디에이터를 포함하는 엔진 냉각 시스템과, 상기 축전 장치, 상기 축전 장치 냉각 관로, 상기 축전 장치 냉각용 펌프 및 상기 축전 장치용 라디에이터를 포함하는 축전 장치 냉각 시스템은, 각각 따로따로의 전열 매체가 유통하는 다른 냉각 시스템으로서 구성되어 있고, 상기 엔진용 전열 매체와 상기 축전 장치용 전열 매체 사이에서 열 교환을 행하는 전열 매체 열교환기가 구비되어 있다.
본 발명에 의하면, 전열 매체(냉매, 열매)의 누설의 리스크를 낮게 할 수 있고, 또한, 축전 장치를 난기하기 위한 전열 매체의 온도의 조정을 용이하게 행할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 의한 하이브리드 유압 셔블을 나타내는 정면도이다.
도 2는 도 1 중의 하이브리드 유압 셔블에 적용하는 유압 시스템과 전동 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 선회 프레임 상에 탑재된 엔진, 어시스트 발전 모터, 축전 장치, 엔진용 라디에이터, 축전 장치용 라디에이터, 가온 열교환기 등을 나타내는 평면도이다.
도 4는 엔진 등과 함께 엔진 냉각 관로를 나타내는 도 3과 마찬가지 위치의 평면도이다.
도 5는 축전 장치 등과 함께 축전 장치 냉각 관로를 나타내는 도 3과 마찬가지 위치의 평면도이다.
도 6은 엔진 냉각 시스템, 축전 장치 냉각 시스템, 및, 가온 열교환기를 나타내는 냉각수 회로도(전열 매체 회로도)이다.
도 7은 도 6 중의 제어 장치에 의한 제어 내용을 나타내는 흐름도이다.
이하에, 본 발명의 하이브리드식 작업 기계의 실시 형태를, 하이브리드 유압 셔블에 적용한 경우를 예로 들어, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도 7에 나타내는 흐름도의 각 단계는, 각각 「S」라는 표기를 이용한다(예를 들면, 단계 1＝「S1」이라고 함).
도 1에 있어서, 하이브리드식 작업 기계의 대표예인 하이브리드 유압 셔블(1)(이하, 유압 셔블(1)이라고 함)은, 후술의 엔진(11)과, 전동기로서의 어시스트 발전 모터(15)(도 2∼6 참조)와, 축전 장치(19)(도 2∼6 참조)를 구비하고 있다. 즉, 유압 셔블(1)은, 자주 가능한 크롤러식의 하부 주행체(2)와, 하부 주행체(2) 상에 마련된 선회 장치(3)와, 하부 주행체(2) 상에 선회 장치(3)를 개재하여 선회 가능하게 탑재된 상부 선회체(4)와, 상부 선회체(4)의 전측에 마련되어 굴착 작업을 행하는 다관절 구조의 작업 장치(5)를 포함하여 구성되어 있다. 이 경우, 하부 주행체(2)와 상부 선회체(4)는, 유압 셔블(1)의 차체를 구성하고 있다.
하부 주행체(2)는, 예를 들면, 크롤러(2A)와, 당해 크롤러(2A)를 주회(周回) 구동시킴으로써 유압 셔블(1)을 주행시키는 좌, 우의 주행용 유압 모터(2B, 2C)(도 2 참조)를 포함하여 구성되어 있다. 하부 주행체(2)는, 후술의 유압 펌프(12)(도 2∼5 참조)로부터의 압유의 공급에 기초하여, 유압 모터(유압 액추에이터)인 주행용 유압 모터(2B, 2C)가 회전함으로써, 상부 선회체(4) 및 작업 장치(5)와 함께 주행한다.
작업기 또는 프론트라고도 불리는 작업 장치(5)는, 상부 선회체(4)의 선회 프레임(6)에 장착되어 있다. 작업 장치(5)는, 예를 들면, 부움(5A), 아암(5B), 작업구로서의 버킷(5C)과, 이들을 구동하는 유압 액추에이터(액압 액추에이터)로서의 부움 실린더(5D), 아암 실린더(5E), 버킷 실린더(작업구 실린더)(5F)를 포함하여 구성되어 있다. 작업 장치(5)는, 유압 펌프(12)로부터의 압유의 공급에 기초하여, 유압 실린더인 실린더(5D, 5E, 5F)가 신장 또는 축소됨으로써, 요동한다.
상부 선회체(4)는, 선회 베어링, 감속 기구, 선회용 유압 모터(3A)(도 2∼5 참조), 후술의 선회 전동 모터(20)(도 2∼5 참조)를 포함하여 구성되는 선회 장치(3)를 개재하여, 하부 주행체(2) 상에 탑재되어 있다. 유압 모터(유압 액추에이터)인 선회용 유압 모터(3A)는, 유압 펌프(12)로부터의 압유의 공급에 기초하여 회전한다. 선회 전동 모터(20)는, 축전 장치(19)로부터의 전력의 공급에 기초하여 회전한다. 상부 선회체(4)는, 선회용 유압 모터(3A) 및/또는 선회 전동 모터(20)가 회전함으로써, 작업 장치(5)와 함께 하부 주행체(2) 상에서 선회한다.
상부 선회체(4)는, 상부 선회체(4)의 지지 구조체(베이스 프레임)가 되는 선회 프레임(6)과, 선회 프레임(6) 상에 탑재된 캡(7), 카운터 웨이트(8)를 포함하여 구성되어 있다. 이 경우, 선회 프레임(6) 상에는, 도 2에 나타내는 엔진(11), 유압 펌프(12), 작동유 탱크(13), 제어 밸브 장치(C/V)(14), 어시스트 발전 모터(15), 축전 장치(19) 등이 탑재되어 있다. 선회 프레임(6)은, 선회 장치(3)를 개재하여 하부 주행체(2)에 장착되어 있다. 선회 프레임(6)의 전부(前部) 좌측에는, 내부가 운전실로 된 캡(7)이 마련되어 있다. 선회 프레임(6)의 후단(後端)측에는, 작업 장치(5)와의 중량 밸런스를 잡기 위한 카운터 웨이트(8)가 마련되어 있다.
도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 엔진(11), 어시스트 발전 모터(15) 및 유압 펌프(12)는, 카운터 웨이트(8)보다 전측에 위치하여 선회 프레임(6) 상에 마련되어 있다. 또, 후술의 엔진용 라디에이터(25) 및 축전 장치용 라디에이터(31)는, 엔진(11)의 좌측(환언하면, 캡(7)의 후측)에 위치하여 선회 프레임(6) 상에 마련되어 있다. 한편, 후술의 축전 장치(19)는, 상부 선회체(4)의 우 전측, 즉, 작업 장치(5)(의 부움(5A))를 사이에 두고 캡(7)과는 반대측에 위치하여 선회 프레임(6) 상에 마련되어 있다. 또, 후술의 가온 열교환기(32)는, 엔진(11)보다 전측에 위치하여 선회 프레임(6) 상에 마련되어 있다.
캡(7) 내에는, 오퍼레이터가 착석하는 운전석(도시 생략)이 마련되어 있다. 운전석의 주위에는, 유압 셔블(1)을 조작하기 위한 조작 장치(구체적으로는, 주행용 레버·페달 조작 장치 및 작업용 레버 조작 장치)가 마련되어 있다. 조작 장치는, 오퍼레이터의 조작(레버 조작, 페달 조작)에 따른 파일럿 신호(파일럿압)를, 제어 밸브 장치(14)에 출력한다. 이에 의해, 오퍼레이터는, 주행용 유압 모터(2B, 2C), 작업 장치(5)의 실린더(5D, 5E, 5F), 선회 장치(3)의 선회용 유압 모터(3A)를 동작(구동)시킬 수 있다.
또한, 캡(7) 내에는, 히터 코어(9)(도 3 내지 도 6 참조)가 마련되어 있다. 히터 코어(9)는, 공조 장치(도시 생략)의 열원, 즉, 공조 장치(난방 장치)로부터 내뿜는 공기(송풍 공기)를 데우기 위한 열원이 되는 것이다. 후술하는 바와 같이, 히터 코어(9)는, 엔진(11)을 냉각하기 위한 냉매(전열 매체)인 엔진 냉각수에 의해서 데워진다(가온된다). 이에 의해, 캡(7) 내를 데울 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 유압 셔블(1)은, 어시스트 발전 모터(15) 등을 제어하는 전동 시스템과, 작업 장치(5) 등의 동작을 제어하는 유압 시스템을 탑재하고 있다. 그래서, 유압 셔블(1)의 시스템 구성에 대하여, 도 1에 추가하여 도 2도 참조하면서 설명한다.
엔진(11)은, 선회 프레임(6)에 탑재되어 있고, 예를 들면, 디젤 엔진 등의 내연 기관에 의해서 구성되어 있다. 엔진(11)의 출력측에는, 후술의 유압 펌프(12)와 어시스트 발전 모터(15)가 기계적으로 직렬 접속하여 장착되어 있다. 이들 유압 펌프(12)와 어시스트 발전 모터(15)는, 엔진(11)에 의해서 회전 구동된다. 엔진(11)은, ECU라고 불리는 엔진 컨트롤 유닛(도시 생략)에 의해서 제어된다.
여기서, 엔진(11)은, 예를 들면, 연료 분사 장치(인젝터) 등의 엔진(11)에 조립된 엔진 보기(補機)(11A)(도 6 참조), 과급기인 터보 차저(11B)(도 6 참조), 배기 가스를 정화하는 배기 가스 정화 장치(11C)(도 6 참조)를 포함하여 구성되어 있다. 배기 가스 정화 장치(11C)는, 예를 들면, 배기 가스 중에 포함되는 일산화질소(NO), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)를 산화하여 제거하는 산화촉매(DOC)와, 배기 가스 중의 입자상 물질(PM)을 포집하여 제거하는 입자상 물질 제거 필터(DPF)를 구비하고 있다. 또, 배기 가스 정화 장치(11C)는, 예를 들면, 배기 가스를 향하여 요소수 용액을 분사하는 요소수 분사 장치와, 배기 가스에 포함되는 질소 산화물(NOx)을 요소수 용액으로부터 생성된 암모니아에 의해서 선택적으로 환원 반응시켜 질소와 물로 분해하는 선택 환원 촉매를 구비하고 있다. 후술하는 바와 같이, 엔진 보기(11A), 터보 차저(11B), 배기 가스 정화 장치(11C)는, 엔진(11)을 냉각하기 위한 냉매(전열 매체)인 엔진 냉각수에 의해서 냉각된다.
유압 펌프(12)는, 엔진(11)에 기계적으로(즉, 동력 전달 가능하게) 접속되어 있다. 유압 펌프(12)는, 엔진(11)의 단독 토오크에 의해서 구동 가능하다. 또, 유압 펌프(12)는, 엔진(11)의 토오크에 어시스트 발전 모터(15)의 어시스트 토오크를 추가한 복합 토오크(합계 토오크)에 의해서도 구동 가능하다. 유압 펌프(12)는, 예를 들면, 가변 용량형의 유압 펌프, 보다 구체적으로는 가변 용량형의 사판(斜板)식, 사축(斜軸)식 또는 레이디얼 피스톤식 유압 펌프에 의해서 구성되어 있다. 유압 펌프(12)는, 작동유 탱크(13) 내에 저류된 작동유를 가압하고, 주행용 유압 모터(2B, 2C), 선회용 유압 모터(3A), 작업 장치(5)의 실린더(5D∼5F)에 압유로서 토출한다.
유압 펌프(12)는, 제어 밸브 장치(14)를 개재하여 주행용 유압 모터(2B, 2C), 선회용 유압 모터(3A), 작업 장치(5)의 실린더(5D∼5F)에 접속되어 있다. 이들 주행용 유압 모터(2B, 2C), 선회용 유압 모터(3A), 작업 장치(5)의 실린더(5D∼5F)는, 유압 펌프(12)로부터의 압유에 의해서 구동한다. 제어 밸브 장치(14)는, 복수의 방향 제어 밸브로 이루어지는 제어 밸브군이다. 제어 밸브 장치(14)는, 유압 펌프(12)로부터 토출된 압유를, 조작 장치(주행용 레버·페달 조작 장치, 작업용 레버 조작 장치)의 조작에 따라서, 주행용 유압 모터(2B, 2C), 선회용 유압 모터(3A), 작업 장치(5)의 실린더(5D∼5F)에 공급 또는 배출한다.
발전 전동기인 어시스트 발전 모터(15)는, 엔진(11)에 기계적으로 접속되어 있다. 어시스트 발전 모터(15)는, 예를 들면, 동기 전동기 등에 의해서 구성되어 있다. 어시스트 발전 모터(15)는, 엔진(11)에 의해서 회전 구동됨으로써 발전을 행하고, 또는, 전력이 공급됨으로써 엔진(11)의 구동을 보조한다. 즉, 어시스트 발전 모터(15)는, 엔진(11)을 동력원에 발전기로서 활용하여 축전 장치(19)나 선회 전동 모터(20)에의 전력 공급을 행하는 발전과, 축전 장치(19)나 선회 전동 모터(20)로부터의 전력을 동력원에 모터로서 활용하여 엔진(11)의 구동을 어시스트 하는 역행의 2가지의 역할을 한다. 따라서, 엔진(11)의 토오크에는, 상황에 따라서 어시스트 발전 모터(15)의 어시스트 토오크가 추가되고, 이들 토오크에 의해서 유압 펌프(12)는 구동한다.
어시스트 발전 모터(15)는, 제 1 인버터(16)를 개재하여 한 쌍의 직류 모선(17A, 17B)에 접속되어 있다. 제 1 인버터(16)는, 후술의 제 2 인버터(21)와 함께 인버터 유닛(18)을 구성하고 있다. 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 인버터 유닛(18)은, 캡(7)보다 후측에서, 또한, 축전 장치용 라디에이터(31)보다 전측에 배치되어 있다.
제 1 인버터(16)는, 예를 들면, 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 등으로 이루어지는 복수의 스위칭 소자를 이용하여 구성되어 있다. 제 1 인버터(16)는, MGCU라고 불리는 모터 제네레이터 컨트롤 유닛(도시 생략)에 의해서, 각 스위칭 소자의 온/오프가 제어된다. 이에 의해, 어시스트 발전 모터(15)의 발전시의 발전 전력(회생 전력), 역행시의 구동 전력이 제어된다.
직류 모선(17A, 17B)은, 정극측과 부극측에서 쌍을 이루고, 예를 들면, 수백V 정도의 직류 전압이 인가되어 있다. 어시스트 발전 모터(15)의 발전시에는, 제 1 인버터(16)는, 어시스트 발전 모터(15)로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전 장치(19)나 선회 전동 모터(20)에 공급한다. 어시스트 발전 모터(15)의 역행시에는, 제 1 인버터(16)는, 직류 모선(17A, 17B)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 어시스트 발전 모터(15)에 공급한다.
축전 장치(19)는 직류 모선(17A, 17B)에 접속되어 있다. 즉, 축전 장치(19)는, 직류 모선(17A, 17B)을 개재하여 어시스트 발전 모터(15), 선회 전동 모터(20)에 전기적으로 접속되어 있다. 축전 장치(19)는, 예를 들면, 복수의 리튬 이온 전지의 셀(도시 생략)을 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 접속하여 이루어지는 조전지(리튬 이온 전지 유닛)에 의해서 구성되어 있다. 축전 장치(19)는, 어시스트 발전 모터(15)에 의한 발전 전력을 축전하거나, 또는, 축전된 전력을 어시스트 발전 모터(15)에 공급한다.
즉, 축전 장치(19)는, 어시스트 발전 모터(15)의 발전시에는 어시스트 발전 모터(15)로부터 공급되는 전력을 충전하고, 어시스트 발전 모터(15)의 역행시(어시스트 구동시)에는 어시스트 발전 모터(15)를 향하여 구동 전력을 공급한다. 또, 축전 장치(19)는, 선회 전동 모터(20)의 회생시에는 선회 전동 모터(20)로부터 공급되는 회생 전력을 충전하고, 선회 전동 모터(20)의 역행시에는 선회 전동 모터(20)를 향하여 구동 전력을 공급한다.
이와 같이, 축전 장치(19)는, 어시스트 발전 모터(15)에 의해서 발전된 전력과, 유압 셔블(1)의 선회 제동시에 선회 전동 모터(20)가 발생한 회생 전력을 축전한다. 이 경우, 축전 장치(19)는, BCU라고 불리는 배터리 컨트롤 유닛(도시 생략)에 의해서 제어된다. 또, 축전 장치(19)에는, 축전 장치(19)의 온도를 검출하는 온도 측정 장치, 즉, 온도 센서(19A)(도 6 참조)가 마련되어 있다. 온도 센서(19A)는 후술의 제어 장치(34)에 접속되어 있다. 온도 센서(19A)는, 검출한 축전 장치(19)의 온도에 대응하는 신호를 제어 장치(34)에 출력한다.
선회 전동 모터(20)(선회 전동기)는, 어시스트 발전 모터(15) 또는 축전 장치(19)로부터의 전력에 의해서 구동된다. 선회 전동 모터(20)는, 예를 들면, 삼상 유도 전동기에 의해서 구성되고, 선회용 유압 모터(3A)와 함께 선회 프레임(6)에 마련되어 있다. 선회 전동 모터(20)는, 선회용 유압 모터(3A)와 협동하여 선회 장치(3)를 구동한다. 즉, 선회 장치(3)는, 선회용 유압 모터(3A)와 선회 전동 모터(20)의 복합 토오크에 의해서 구동하여, 상부 선회체(4)를 선회 구동한다.
선회 전동 모터(20)는, 제 2 인버터(21)를 개재하여 직류 모선(17A, 17B)에 접속되어 있다. 선회 전동 모터(20)는, 축전 장치(19)나 어시스트 발전 모터(15)로부터의 전력을 받아 회전 구동하는 역행과, 선회 제동시의 여분의 토오크에 의해 발전하여 축전 장치(19)를 축전하는 회생의 2가지의 역할을 한다. 이 때문에, 역행시의 선회 전동 모터(20)에는, 어시스트 발전 모터(15) 등으로부터의 전력이 직류 모선(17A, 17B)을 개재하여 공급된다. 이에 의해, 선회 전동 모터(20)는, 오퍼레이터에 의한 조작 장치의 조작에 따라서 회전 토오크를 발생시켜, 선회용 유압 모터(3A)의 구동을 어시스트함으로써, 상부 선회체(4)를 선회 동작시킨다.
제 2 인버터(21)는, 제 1 인버터(16)와 마찬가지로, 복수의 스위칭 소자를 이용하여 구성되어 있다. 제 2 인버터(21)는, RMCU라고 불리는 선회 전동 모터 컨트롤 유닛(도시 생략)에 의해서 각 스위칭 소자의 온/오프가 제어된다. 선회 전동 모터(20)의 역행시에는, 제 2 인버터(21)는, 직류 모선(17A, 17B)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 선회 전동 모터(20)에 공급한다. 선회 전동 모터(20)의 회생시에는, 제 2 인버터(21)는, 선회 전동 모터(20)로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전 장치(19) 등에 공급한다.
다음으로, 엔진(11)의 냉각 시스템 및 축전 장치(19)의 냉각 시스템에 대하여, 도 1 및 도 2에 추가하여 도 3 내지 도 7도 참조하면서 설명한다. 이 경우, 도 4는 엔진 냉각 시스템(22)(엔진 냉각 관로(23))의 레이아웃을 나타내고 있다. 도 5는 축전 장치 냉각 시스템(27)(축전 장치 냉각 관로(28))의 레이아웃을 나타내고 있다. 유압 셔블(1)의 상부 선회체(4)에는, 도 6에 나타낸 바와 같은 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)이 합쳐서 탑재되어 있다.
즉, 상부 선회체(4)는, 제 1 전열 매체 순환 시스템으로서의 엔진 냉각 시스템(22)과, 엔진 냉각 시스템(22)과는 별도로 마련된 제 2 전열 매체 순환 시스템으로서의 축전 장치 냉각 시스템(27)을 구비하고 있다. 엔진 냉각 시스템(22)은, 엔진용 전열 매체(제 1 전열 매체)로서의 엔진 냉각수(냉매)가 순환하는 냉각 시스템이다. 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치용 전열 매체(제 2 전열 매체)로서의 축전 장치 냉각수(냉매)가 순환하는 냉각 시스템이다. 실시 형태에서는, 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 각각 따로따로의 전열 매체(엔진 냉각수, 축전 장치 냉각수)가 유통하는 다른 냉각 시스템으로서 구성되어 있다.
또한, 엔진 냉각수는, 엔진(11) 등을 냉각할뿐만 아니라, 히터 코어(9)를 가온하는 것(열매)이기도 하다. 그러나, 엔진 냉각수는, 엔진(11)을 냉각하는 냉매로서의 역할을 갖고 있기 때문에, 이하의 설명에서는 간단하게 「엔진 냉각수」라고 한다. 또, 축전 장치 냉각수는, 축전 장치(19)의 온도가 상한 온도를 초과하지 않도록 냉각할뿐만 아니라, 축전 장치(19)의 온도가 하한 온도를 하회하지 않도록 가온하는 것(열매)이기도 하다. 그러나, 축전 장치 냉각수는, 축전 장치(19)를 냉각하는 냉매로서의 기능을 구비하고 있기 때문에, 이하의 설명에서는 간단하게 「축전 장치 냉각수」라고 한다. 환언하면, 본 명세서에서는 「냉각」과 「가온」의 양방(兩方)의 의미를 포함하여 「냉각」이라는 말을 이용하는 경우가 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 엔진 냉각 시스템(22)은, 엔진 냉각수를 순환시킴으로써, 엔진 보기(11A), 터보 차저(11B), 배기 가스 정화 장치(11C) 등을 포함하는 엔진(11)에 추가하여, 어시스트 발전 모터(15), 히터 코어(9)의 냉각(또는 가온)을 행하는 온도 조정 장치이다. 엔진 냉각 시스템(22)은, 엔진(11), 어시스트 발전 모터(15), 엔진 냉각 관로(23), 엔진 냉각용 펌프(제 1 펌프)로서의 엔진용 워터 펌프(24), 제 1 라디에이터가 되는 엔진용 라디에이터(25), 제어 밸브(제 1 밸브)로서의 서모스탯(26)을 포함하여 구성되어 있다.
엔진 냉각 관로(23)는, 엔진(11)을 냉각하는 냉매가 되는 엔진 냉각수가 유통한다. 엔진 냉각 관로(23)는, 엔진용 워터 펌프(24)의 토출구측에 접속되고, 엔진(11)을 통과하는 엔진 통과 관로(23A)를 갖고 있다. 엔진 통과 관로(23A)는, 예를 들면, 엔진(11)의 워터 자켓, 호스 등에 의해 구성되어 있다. 엔진 통과 관로(23A)는, 엔진(11) 내에서 보기용 관로(23B)와 분기되어 있다. 보기용 관로(23B)는, 엔진 보기(11A)를 경유하여 엔진 통과 관로(23A)의 하류측(엔진(11)보다 하류측)에 접속되어 있다. 보기용 관로(23B)는, 엔진(11) 내에서 전동기 관로(23C)와 분기되어 있다. 전동기 관로(23C)는, 어시스트 발전 모터(15)를 경유하여 엔진 통과 관로(23A)의 하류측(엔진(11)보다 하류측)에 접속되어 있다. 엔진 통과 관로(23A)의 하류측은, 2개의 관로, 즉, 라디에이터 관로(23D) 및 열교환기 관로(23E)로 분기되어 있다.
라디에이터 관로(23D)는, 엔진용 라디에이터(25) 및 서모스탯(26)을 개재하여 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구측에 접속되어 있다. 열교환기 관로(23E)는, 후술의 가온 열교환기(32)를 개재하여 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구측에 접속되어 있다. 이 경우, 열교환기 관로(23E)는, 가온 열교환기(32)보다 상류측에서 3개의 분기 관로, 즉, 상류측으로부터 순서대로 과급기 분기 관로(23F), DPF 분기 관로(23G), 히터 코어 분기 관로(23H)로 분기되어 있다.
과급기 분기 관로(23F)는, 터보 차저(11B)를 경유하여, 열교환기 관로(23E)의 하류측(가온 열교환기(32)보다 하류측)에 접속되어 있다. DPF 분기 관로(23G)는, 배기 가스 정화 장치(11C)(의 DPF)를 경유하여, 열교환기 관로(23E)의 하류측(가온 열교환기(32)보다 하류측)에 접속되어 있다. 히터 코어 분기 관로(23H)는, 히터 코어(9)를 경유하여, 열교환기 관로(23E)의 하류측(가온 열교환기(32)보다 하류측)에 접속되어 있다.
엔진용 워터 펌프(24)는, 엔진 냉각수를 엔진 냉각 관로(23)에 공급(토출)한다. 즉, 엔진용 워터 펌프(24)는, 엔진(11)과 엔진용 라디에이터(25) 및/또는 가온 열교환기(32)와의 사이에서 엔진 냉각수를 순환시킨다. 엔진용 워터 펌프(24)는, 예를 들면, 엔진(11)의 크랭크 샤프트의 회전에 기초하여 회전함으로써, 라디에이터 관로(23D) 및/또는 열교환기 관로(23E)의 엔진 냉각수를 빨아들인다. 엔진용 워터 펌프(24)는, 빨아들인 엔진 냉각수를 엔진 통과 관로(23A)를 향하여 토출 한다.
엔진용 워터 펌프(24)로부터 토출한 엔진 냉각수는, 엔진(11), 엔진 보기(11A), 어시스트 발전 모터(15), 터보 차저(11B), 배기 가스 정화 장치(11C)(의 DPF), 히터 코어(9), 가온 열교환기(32)를 통과하고 나서, 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구측으로 되돌아간다. 또, 서모스탯(26)이 개방일 때는, 엔진용 워터 펌프(24)로부터 토출한 엔진 냉각수는, 엔진용 라디에이터(25)를 통과하고 나서, 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구측으로 되돌아간다.
엔진용 라디에이터(25)는, 엔진 냉각 관로(23)(보다 구체적으로는 라디에이터 관로(23D))를 개재하여 엔진(11)(의 엔진 통과 관로(23A))과 접속되어 있다. 엔진용 라디에이터(25)는 엔진 냉각수의 방열을 행한다. 즉, 엔진용 라디에이터(25)는, 엔진실 내의 냉각 팬에 의해서 빨아들여진 외기(냉각풍)를 받음으로써, 엔진용 라디에이터(25)를 통과하는 엔진 냉각수의 냉각을 행한다. 엔진용 라디에이터(25)에 의해 냉각된 엔진 냉각수는, 서모스탯(26)을 개재하여 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구측으로 흐른다.
서모스탯(26)은, 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구와 엔진용 라디에이터(25)와의 사이에 마련되어 있다. 서모스탯(26)은, 엔진용 라디에이터(25)에 대한 엔진 냉각수의 유량을 제어하는 제어 밸브가 되는 것이다. 즉, 서모스탯(26)은, 엔진 냉각수의 온도에 따라서 개폐하는 개폐 밸브이며, 엔진 냉각수의 온도가 낮을 때에 밸브 폐쇄하고, 엔진 냉각수의 온도가 높을 때에 밸브 개방한다. 보다 구체적으로는, 서모스탯(26)은, 소정의 온도(예를 들면, 80℃∼85℃ 정도)가 되면 밸브 개방함으로써, 엔진 냉각수가 엔진용 라디에이터(25)측으로 흐르도록 한다. 이에 의해, 엔진 냉각수의 온도를 적온(適溫)(예를 들면, 80℃ 정도)으로 유지할 수 있다.
또한, 가온 열교환기(32)에 엔진 냉각수를 유통시키기 위한 열교환기 관로(23E)는, 엔진용 라디에이터(25)의 상류측으로부터 분기되고, 가온 열교환기(32)를 개재하여 엔진용 워터 펌프(24)의 흡입구에 접속되어 있다. 환언하면, 열교환기 관로(23E)는, 엔진용 라디에이터(25)의 상류측과 서모스탯(26)의 하류측과의 사이를 접속(바이패스)하고 있다. 이 때문에, 가온 열교환기(32)에는, 서모스탯(26)의 상태(밸브 개방 상태)에 관계없이, 즉, 서모스탯(26)이 밸브 개방되어 있더라도 밸브 폐쇄되어 있더라도, 엔진(11) 등을 통과하여 데워진 엔진 냉각수가 공급된다.
엔진 냉각 시스템(22)은, 엔진용 워터 펌프(24)에 의해서 엔진 냉각수가 순환됨으로써, 엔진(11), 어시스트 발전 모터(15) 등을 냉각할 수 있다. 엔진(11), 어시스트 발전 모터(15) 등으로부터의 열에 의해서 엔진 냉각수가 고온이 되면, 서모스탯(26)이 개방 상태가 된다. 이에 의해, 고온이 된 엔진 냉각수는, 엔진용 라디에이터(25)에 의해 냉각된다.
여기서, 엔진용 워터 펌프(24)로부터 토출한 엔진 냉각수는, 엔진용 워터 펌프(24)의 하류측에서 분기되고, 엔진 보기(11A) 또는 어시스트 발전 모터(15)를 냉각하고 나서, 엔진(11)의 하류측에서 합류한다. 또한, 합류한 엔진 냉각수는, 엔진용 라디에이터(25)의 상류측에서 분기되고, 터보 차저(11B), 배기 가스 정화 장치(11C)를 냉각하고 나서, 또는, 히터 코어(9), 가온 열교환기(32)를 가온하고 나서, 서모스탯(26)의 하류측에서 합류한다.
축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치 냉각수를 순환시킴으로써, 축전 장치(19)의 냉각(또는 가온)을 행하는 온도 조정 장치이다. 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치(19), 축전 장치 냉각 관로(28), 축전 장치 냉각용 펌프(제 2 펌프)로서의 축전 장치용 워터 펌프(29), 제 2 라디에이터가 되는 축전 장치용 라디에이터(31)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 전열 매체 열교환기로서의 가온 열교환기(32)와, 제 2 밸브가 되는 전환 밸브(33)와, 제어 장치(34)를 구비하고 있다.
축전 장치 냉각 관로(28)는, 축전 장치(19)(의 리튬 이온 전지)를 냉각하는 냉매가 되는 축전 장치 냉각수가 유통한다. 축전 장치 냉각 관로(28)는, 축전 장치용 워터 펌프(29)의 토출구측에 접속되고, 축전 장치(19)를 통과하는 축전 장치통과 관로(28A)를 갖고 있다. 축전 장치 통과 관로(28A)의 하류측은 전환 밸브(33)에 접속되어 있다. 즉, 축전 장치 통과 관로(28A)는, 전환 밸브(33)를 개재하여, 2개의 관로, 즉, 라디에이터 관로(28B)와 열교환기 관로(28C)로 분기되어 있다.
라디에이터 관로(28B)는, 전환 밸브(33), 축전 장치용 라디에이터(31)를 개재하여 축전 장치용 워터 펌프(29)의 흡입구측에 접속되어 있다. 열교환기 관로(28C)는, 전환 밸브(33), 가온 열교환기(32)를 개재하여 축전 장치용 워터 펌프(29)의 흡입구측에 접속되어 있다. 이와 같이, 축전 장치 냉각 관로(28)는, 축전 장치용 워터 펌프(29), 축전 장치(19) 및 축전 장치용 라디에이터(31)를 접속하는 라디에이터 관로(28B)와, 축전 장치용 워터 펌프(29), 축전 장치(19) 및 가온 열교환기(32)를 접속하는 열교환기 관로(28C)를 갖고 있다.
축전 장치용 워터 펌프(29)는, 축전 장치 냉각수를 축전 장치 냉각 관로(28)에 공급(토출)한다. 즉, 축전 장치용 워터 펌프(29)는, 축전 장치(19)와 축전 장치용 라디에이터(31) 및/또는 가온 열교환기(32)와의 사이에서 축전 장치 냉각수를 순환시킨다. 축전 장치용 워터 펌프(29)는, 예를 들면, 제어 장치(34)로부터의 지령(전력 공급)에 기초하여 회전, 정지가 제어되는 펌프용 전동 모터(30)에 의해서 회전 구동된다. 즉, 축전 장치용 워터 펌프(29)는 전동 펌프로서 구성되어 있다.
축전 장치용 워터 펌프(29)는, 펌프용 전동 모터(30)에 의해서 회전함으로써, 라디에이터 관로(28B) 또는 열교환기 관로(28C)의 축전 장치 냉각수를 빨아들인다. 축전 장치용 워터 펌프(29)는, 빨아들인 축전 장치 냉각수를 축전 장치 통과 관로(28A)를 향하여 토출한다. 축전 장치용 워터 펌프(29)로부터 토출한 축전 장치 냉각수는, 전환 밸브(33)의 전환 위치에 따라서, 축전 장치(19)와 축전 장치용 라디에이터(31)를 통과하고 나서, 또는, 축전 장치(19)와 가온 열교환기(32)를 통과하고 나서, 축전 장치용 워터 펌프(29)의 흡입구측으로 되돌아간다.
축전 장치용 라디에이터(31)는, 축전 장치 냉각 관로(28)(보다 구체적으로는 라디에이터 관로(28B))를 개재하여 축전 장치(19)(의 축전 장치 통과 관로(28A))와 접속되어 있다. 축전 장치용 라디에이터(31)는 축전 장치 냉각수의 방열을 행한다. 즉, 축전 장치용 라디에이터(31)는, 엔진실 내의 냉각 팬에 의해서 빨아들여진 외기(냉각풍)를 받음으로써, 축전 장치용 라디에이터(31)를 통과하는 축전 장치 냉각수의 냉각을 행한다. 축전 장치용 라디에이터(31)에 의해 냉각된 축전 장치 냉각수는, 축전 장치용 워터 펌프(29)의 흡입구측으로 흐른다.
또한, 실시 형태에서는, 엔진 냉각수와 축전 장치 냉각수 사이에서 열 교환을 행하는 가온 열교환기(32)를 구비하고 있다. 이 경우, 가온 열교환기(32)는, 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진 냉각 관로(23)의 도중(보다 구체적으로는 열교환기 관로(23E)의 도중)이고, 또한, 축전 장치 냉각 시스템(27)의 축전 장치 냉각 관로(28)의 도중(보다 구체적으로는 열교환기 관로(28C)의 도중)에 마련되어 있다. 이에 의해, 가온 열교환기(32)는, 엔진 냉각 시스템(22)을 구성하고, 또한, 축전 장치 냉각 시스템(27)을 구성하고 있다.
가온 열교환기(32)는, 예를 들면, 플레이트식 열교환기, 이중관식 열교환기 등의 열교환기, 즉, 액체와 액체 사이에서 열 교환을 행하는 열교환기에 의해 구성할 수 있다. 가온 열교환기(32)는, 열교환기 관로(23E)를 흐르는 엔진 냉각수의 열을 이용하여 열교환기 관로(28C)를 흐르는 축전 장치 냉각수를 데운다. 이 경우, 예를 들면, 축전 장치(19)가 리튬 이온 전지에 의해 구성되어 있는 경우, 축전 장치 냉각수의 온도는 20℃∼30℃ 정도인 것이 바람직하다. 이에 비하여, 엔진 냉각수의 온도는 80℃∼99℃ 정도가 된다. 그래서, 가온 열교환기(32)는, 엔진 냉각수에 의해서 축전 장치 냉각수의 온도가 20℃∼30℃가 되도록, 그 선정 및 열 설계를 행한다. 이와 같이 가온 열교환기(32)를 설정함으로써, 축전 장치(19)의 가온에 사용하는 축전 장치 냉각수의 온도 상승률을 원하는 것으로(적정하게) 할 수 있다.
전환 밸브(33)는, 축전 장치(19)보다 하류측, 즉, 축전 장치 통과 관로(28A)의 하류측에 마련되어 있다. 환언하면, 전환 밸브(33)는, 축전 장치(19)와 축전 장치용 라디에이터(31) 사이이고, 또한, 축전 장치(19)와 가온 열교환기(32) 사이에 마련되어 있다. 전환 밸브(33)는, 축전 장치(19)의 온도에 기초하여, 축전 장치 냉각수를 라디에이터 관로(28B)와 열교환기 관로(28C) 중 어느 것에 유통시킬지를 전환하는 것이다.
전환 밸브(33)는, 전동식의 전환 밸브, 예를 들면, 솔레노이드 등을 갖는 전자 밸브(전자 전환 밸브)에 의해 구성되고, 제어 장치(34)에 의해서 전환 위치가 전환된다. 전환 밸브(33)는, 축전 장치 통과 관로(28A)를 축전 장치용 라디에이터(31)측에 접속시키는 전환 위치 (A)와, 축전 장치 통과 관로(28A)를 가온 열교환기(32)측에 접속시키는 전환 위치 (B) 중 어느 것으로 전환된다. 이 경우, 전환 밸브(33)는, 축전 장치 냉각수의 온도가 높을 때(예를 들면, 축전 장치(19)의 온도가 30℃보다 높을 때)에 전환 위치 (A)로 전환된다. 한편, 전환 밸브(33)는, 축전 장치 냉각수의 온도가 낮을 때(예를 들면, 축전 장치(19)의 온도가 20℃보다 낮을 때)에 전환 위치 (B)로 전환된다.
제어 장치(34)는, 전환 밸브(33)를 전환 위치 (A)와 전환 위치 (B) 중 어느 것으로 전환하는 컨트롤 유닛이고, 또한, 축전 장치용 워터 펌프(29)(펌프용 전동 모터(30))의 구동, 정지를 행하는 컨트롤 유닛이다. 제어 장치(34)는, 예를 들면, 마이크로 컴퓨터, 구동 회로, 전원 회로를 포함하여 구성되어 있다. 마이크로 컴퓨터는, 예를 들면, 연산 장치(CPU)에 추가하여, 플래시 메모리, ROM, RAM, EEPROM 등으로 이루어지는 메모리(모두 도시 생략)를 갖고 있다. 메모리에는, 예를 들면, 후술의 도 7에 나타내는 처리 플로우를 실행하기 위한 처리 프로그램(즉, 전환 밸브(33) 및 펌프용 전동 모터(30)의 제어 처리에 이용하는 처리 프로그램)이 격납되어 있다.
제어 장치(34)의 입력측은, 축전 장치(19)의 온도 센서(19A)에 접속되어 있다. 제어 장치(34)의 출력측은, 전환 밸브(33)와 펌프용 전동 모터(30)에 접속되어 있다. 제어 장치(34)는, 온도 센서(19A)에 의해 검출되는 축전 장치(19)의 온도(리튬 이온 전지의 온도)에 기초하여, 전환 밸브(33)의 전환 위치의 전환과, 펌프용 전동 모터(30)의 구동, 정지를 행한다. 또한, 제어 장치(34)에 의해 행해지는 도 7의 제어 처리에 대해서는, 나중에 상술한다.
축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치용 워터 펌프(29)에 의해서 축전 장치 냉각수가 순환함으로써, 축전 장치(19)를 냉각할 수 있다. 이 때, 전환 밸브(33)는 전환 위치 (A)로 전환되어 있다. 이 때문에, 축전 장치(19)의 열에 의해서 온도 상승한 축전 장치 냉각수는, 축전 장치용 라디에이터(31)에 의해 냉각된다. 또, 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치용 워터 펌프(29)에 의해서 축전 장치 냉각수가 순환됨으로써, 축전 장치(19)를 가온할 수도 있다. 이 때, 전환 밸브(33)는 전환 위치(B)로 전환되어 있다. 이 때문에, 축전 장치 냉각수는, 가온 열교환기(32)에 의해 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진 냉각수와 열 교환함으로써 데워진다.
그리고, 가온 열교환기(32)에 의해 데워진 축전 장치 냉각수가, 축전 장치용 워터 펌프(29)를 개재하여 축전 장치(19)로 흐름으로써, 축전 장치(19)를 데울 수 있다. 이와 같이, 전환 밸브(33)를 전환 위치 (A)로 전환함으로써 축전 장치(19)를 냉각하고, 전환 위치 (B)로 전환함으로써 축전 장치(19)를 가온함으로써, 축전 장치(19)의 온도 제어를 행할 수 있다. 이에 의해, 축전 장치 냉각수의 온도를 적온(예를 들면, 20℃∼30℃ 정도)으로 유지할 수 있다.
즉, 실시 형태에서는, 저온 환경하에 있어서 성능이 저하되는 축전 장치(19)를 엔진(11)의 배열(排熱)을 이용하여 데울 수 있다. 이 경우, 실시 형태에서는, 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)이 따로따로 마련되어 있고, 또한, 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진 냉각수와 축전 장치 냉각 시스템(27)의 축전 장치 냉각수와의 사이에서 열 교환을 행하는 가온 열교환기(32)를 구비하고 있다. 환언하면, 엔진 냉각 시스템(22)(엔진 냉각 관로(23))은, 축전 장치(19)로부터 떨어져서 마련되어 있고, 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진 냉각수는, 축전 장치(19)를 통과하지 않는다. 즉, 축전 장치(19)는, 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진 냉각수에 의해서 직접적으로 데워지는 것은 아니다. 축전 장치(19)는, 가온 열교환기(32)로 엔진 냉각수에 의해서 데워진 축전 장치 냉각수에 의해서 데워진다.
또한, 도시는 생략하지만, 상부 선회체(4)는, 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)과는 별도로, 제 3 전열 매체 순환 시스템이 되는 인버터 냉각 시스템도 구비하고 있다. 인버터 냉각 시스템은, 제 1 인버터(16), 제 2 인버터(21), 필요에 따라서 선회 전동 모터(20)의 냉각을 행하는 온도 조정 장치이다. 인버터 냉각 시스템은, 예를 들면, 인버터(16, 21)와, 인버터 냉각수(인버터용 냉매 전열 매체)가 유통하는 인버터 냉각 관로와, 인버터 냉각수를 인버터 냉각 관로에 공급하는 인버터 냉각용 펌프와, 인버터 냉각수의 방열을 행하는 인버터용 라디에이터를 포함하여 구성된다. 인버터 냉각 시스템은, 인버터 냉각용 펌프에 의해서 인버터 냉각수를 순환시킴으로써, 제 1 인버터(16), 제 2 인버터(21), 필요에 따라서 선회 전동 모터(20)를 냉각할 수 있다.
실시 형태에 의한 유압 셔블(1)은, 상술과 같은 구성을 갖는 것이며, 다음으로 그 동작에 대하여 설명한다.
캡(7)에 탑승한 오퍼레이터가 엔진(11)을 기동시키면, 엔진(11)에 의해서 유압 펌프(12)와 어시스트 발전 모터(15)가 구동된다. 이에 의해, 유압 펌프(12)로부터 토출한 압유는, 캡(7) 내에 마련된 조작 장치(주행용 레버·페달 조작 장치, 작업용 레버 조작 장치)의 레버 조작, 페달 조작에 따라서, 주행용 유압 모터(2B, 2C), 선회용 유압 모터(3A), 작업 장치(5)의 부움 실린더(5D), 아암 실린더(5E), 버킷 실린더(5F)를 향하여 토출한다. 이에 의해, 유압 셔블(1)은, 하부 주행체(2)에 의한 주행 동작, 상부 선회체(4)의 선회 동작, 작업 장치(5)에 의한 굴착 작업을 행할 수 있다.
여기서, 예를 들면, 유압 셔블(1)의 작동시에 엔진(11)의 출력 토오크가 유압 펌프(12)의 구동 토오크보다 클 때에는, 잉여 토오크에 의해서 어시스트 발전 모터(15)가 발전기로서 구동된다. 이에 의해, 어시스트 발전 모터(15)는 교류 전력을 발생하고, 이 교류 전력은, 제 1 인버터(16)에 의해 직류 전력으로 변환되고, 축전 장치(19)에 모인다. 한편, 엔진(11)의 출력 토오크가 유압 펌프(12)의 구동 토오크보다 작을 때에는, 어시스트 발전 모터(15)는, 축전 장치(19)로부터의 전력에 의해서 전동기로서 구동되고, 엔진(11)의 구동을 보조(어시스트)한다.
이 때, 엔진 냉각 시스템(22)은, 엔진용 워터 펌프(24)에 의해서 엔진 냉각수가 엔진 냉각 시스템(22) 내를 순환함으로써, 엔진(11), 엔진 보기(11A), 터보 차저(11B), 배기 가스 정화 장치(11C), 어시스트 발전 모터(15)를 냉각한다. 엔진 냉각수의 온도가 낮을 때는, 서모스탯(26)은 밸브 폐쇄 상태가 되기 때문에, 엔진 냉각수는 엔진용 라디에이터(25)측으로 흐르지 않는다. 엔진 냉각수의 온도가 소정의 온도를 초과하면, 서모스탯(26)이 밸브 폐쇄되기 시작하고, 엔진 냉각수가 엔진용 라디에이터(25)측으로 흐름으로써, 엔진 냉각수가 냉각된다.
이에 의해, 엔진 냉각수의 온도는, 예를 들면, 80℃∼99℃로 유지된다. 또, 엔진 냉각수는 히터 코어(9)에 공급된다. 캡(7) 내의 공조 장치는, 히터 코어(9)를 흐르는 엔진 냉각수를 열원으로 하여 캡(7) 내를 데울 수 있다. 또한, 엔진 냉각수는, 서모스탯(26)의 상태에 관계없이, 가온 열교환기(32)에 공급된다. 가온 열교환기(32)에서는, 엔진 냉각수에 의해서 축전 장치 냉각수가 데워진다.
한편, 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치용 워터 펌프(29)에 의해서 축전 장치 냉각수가 축전 장치 냉각 시스템(27) 내를 순환한다. 예를 들면, 제어 장치(34)에 의해서 전환 밸브(33)가 전환 위치 (A)로 전환되어 있고, 또한, 펌프용 전동 모터(30)가 구동하고 있을 때는, 축전 장치 냉각수는, 축전 장치(19)로부터 축전 장치용 라디에이터(31)측으로 흐른다. 이에 의해, 축전 장치용 라디에이터(31)에 의해 냉각된 축전 장치 냉각수가 축전 장치(19)에 공급되어, 축전 장치(19)를 냉각할 수 있다. 한편, 제어 장치(34)에 의해서 전환 밸브(33)가 전환 위치 (B)로 전환되어 있고, 또한, 펌프용 전동 모터(30)가 구동하고 있을 때는, 축전 장치 냉각수는, 축전 장치(19)로부터 가온 열교환기(32)측으로 흐른다. 이에 의해, 가온 열교환기(32)에 의해 데워진 축전 장치 냉각수가 축전 장치(19)에 공급되어, 축전 장치(19)를 가온할 수 있다.
다음으로, 제어 장치(34)에 의해 행해지는 전환 밸브(33)의 전환 제어와 축전 장치용 워터 펌프(29)(펌프용 전동 모터(30))의 구동, 정지 제어의 처리에 대하여, 도 7의 흐름도를 이용하여 설명한다. 또한, 도 7의 처리는, 예를 들면, 제어 장치(34)에 통전하고 있는 동안, 소정의 제어 시간마다(소정의 샘플링 주파수로) 반복 실행된다.
악세사리 ON, 또는, 엔진(11)의 시동(이그니션 ON)에 의해, 제어 장치(34)에 통전이 개시되어, 도 7의 처리 동작이 개시된다. 제어 장치(34)는, S1에서, 축전 장치(19)의 온도 센서(19A)에 의해서 검출된 온도(검출 온도)가 미리 설정한 제 1 역치(T1)보다 높은지 여부를 판정한다. 즉, S1에서는, 축전 장치(19)의 냉각이 필요한지 여부를 판정한다. 제 1 역치(T1)는, 예를 들면, 축전 장치(19)의 냉각을 개시해야 할 온도로서 설정할 수 있다. 제 1 역치(T1)는, 축전 장치(19)의 사양, 축전 장치(19)의 상한 온도, 하한 온도 등에 따라서 설정되는 값이다. 예를 들면, 축전 장치(19)가 리튬 이온 전지에 의해 구성되어 있는 경우, 그 특성상 축전 장치(19)는 상온(예를 들면, 20℃∼30℃)에서 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제 1 역치(T1)는, 예를 들면, 30℃로서 설정할 수 있다.
S1에서 「YES」, 즉, 검출 온도가 제 1 역치(T1)보다 높은 경우는, S2로 진행된다. 이 경우는, 축전 장치(19)의 냉각이 필요하다고 생각된다. 그래서, S2에서는, 전환 밸브(33)를 축전 장치용 라디에이터(31)측으로 전환한다. 즉, S2에서는, 전환 밸브(33)를 전환 위치 (A)로 전환한다. 그리고, 계속되는 S3으로 진행되어, 축전 장치용 워터 펌프(29)를 구동한다. 즉, S3에서는 펌프용 전동 모터(30)를 구동한다. S3에서 축전 장치용 워터 펌프(29)를 구동하면, 리턴한다. 즉, 리턴을 개재하여 개시로 되돌아가, S1 이후의 처리를 반복한다.
한편, S1 「NO」, 즉, 검출 온도가 제 1 역치(T1) 이하인 경우는, S4로 진행된다. S4에서는, 검출 온도가 미리 설정한 제 2 역치(T2)보다 낮은지 여부를 판정한다. 즉, S4에서는, 축전 장치(19)의 가온(난기)이 필요한지 여부를 판정한다. 제 2 역치(T2)는, 예를 들면, 축전 장치(19)의 가온을 개시해야 할 온도로서 설정할 수 있다. 제 2 역치(T2)도, 제 1 역치(T1)와 마찬가지로, 축전 장치(19)의 사양, 축전 장치(19)의 상한 온도, 하한 온도 등에 따라서 설정되는 값이다. 예를 들면, 축전 장치(19)가 리튬 이온 전지에 의해 구성되어 있는 경우, 제 2 역치(T2)는, 예를 들면, 20℃로서 설정할 수 있다.
S4에서 「YES」, 즉, 검출 온도가 제 2 역치(T2)보다 낮은 경우는, S5로 진행된다. 이 경우는, 축전 장치(19)의 가온이 필요하다고 생각된다. 그래서, S5에서는, 전환 밸브(33)를 가온 열교환기(32)측으로 전환한다. 즉, S5에서는, 전환 밸브(33)를 전환 위치 (B)로 전환한다. 그리고, 계속되는 S3으로 진행되어, 축전 장치용 워터 펌프(29)(펌프용 전동 모터(30))를 구동하고, 리턴한다. 이에 비하여, S4에서 「NO」, 즉, 검출 온도가 제 2 역치(T2) 이상인 경우는, S6으로 진행된다. 이 경우는, 축전 장치(19)의 냉각도 가온도 필요없다고 생각된다. 그래서, S6에서는, 축전 장치용 워터 펌프(29)(펌프용 전동 모터(30))를 정지하고, 리턴한다.
이와 같이, 실시 형태에서는, 축전 장치(19)의 온도가 제 1 역치(T1)보다 높은 경우는, 냉각이 필요하다고 판단하고, 전환 밸브(33)를 전환 위치 (A)로 전환함과 함께 축전 장치용 워터 펌프(29)를 구동한다. 이 경우, 축전 장치용 워터 펌프(29)로부터 토출한 축전 장치 냉각수는, 축전 장치(19), 전환 밸브(33), 축전 장치용 라디에이터(31)를 통과하여, 축전 장치용 워터 펌프(29)로 되돌아간다. 이에 의해, 축전 장치(19)의 냉각을 행할 수 있다.
한편, 축전 장치(19)의 온도가 제 2 역치(T2)보다 낮은 경우는, 난기가 필요하다고 판단하고, 전환 밸브(33)를 전환 위치 (B)로 전환함과 함께 축전 장치용 워터 펌프(29)를 구동한다. 이 경우, 축전 장치용 워터 펌프(29)로부터 토출한 축전 장치 냉각수는, 축전 장치(19), 전환 밸브(33), 가온 열교환기(32)를 통과하여, 축전 장치용 워터 펌프(29)로 되돌아간다. 가온 열교환기(32)에는, 상시 엔진 냉각수가 공급되고 있고, 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진 냉각수에 의해, 축전 장치 냉각 시스템(27)의 축전 장치 냉각수가 데워진다. 이에 의해, 축전 장치(19)를 데울 수 있다.
축전 장치(19)의 온도가 제 1 역치(T1) 이하이고, 또한, 제 2 역치(T2) 이상인 경우는, 냉각도 난기도 불필요한 상태라고 판단하고, 축전 장치용 워터 펌프(29)를 정지한다. 이 경우는, 축전 장치 냉각수가 축전 장치 냉각 시스템(27) 내를 순환하지 않는다.
이상과 같이, 실시 형태에 의하면, 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)을 각각 따로따로의 전열 매체(엔진 냉각수, 축전 장치 냉각수)가 유통하는 다른 냉각 시스템으로서 구성하고 있다. 즉, 엔진 냉각 시스템(22)과 축전 장치 냉각 시스템(27)을, 각각 따로따로의 순환 시스템으로서 절리(切離)하고 있다. 이 때문에, 각각의 냉각 시스템을 심플하게 구성할 수 있다. 예를 들면, 도 4 및 도 5에 관로 레이아웃을 나타낸 바와 같이, 각각의 냉각 시스템의 경로(관로의 길이)를 짧게 할 수 있기 때문에, 각각의 전열 매체(엔진 냉각수, 축전 장치 냉각수)의 누설의 리스크를 낮게 할 수 있다.
이 경우, 예를 들면, 축전 장치 냉각 시스템(27)에 의해 전열 매체(축전 장치 냉각수)의 누설이 발생하였다고 하더라도, 엔진 냉각 시스템(22)이 연쇄적으로 냉각할 수 없게 되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 엔진 냉각 시스템(22)에 의해 냉각되는 각종 기기(엔진(11), 엔진 보기(11A), 터보 차저(11B), 배기 가스 정화 장치(11C) 등)의 고장의 가능성을 저감할 수 있다.
또한, 엔진용 전열 매체(엔진 냉각수)와 축전 장치용 전열 매체(축전 장치 냉각수)와의 사이에서 열 교환을 행하는 전열 매체 열교환기(가온 열교환기(32))가 구비되어 있기 때문에, 축전 장치(19)를 난기하기 위한 전열 매체(축전 장치 냉각수)의 온도의 조정을 용이하게 행할 수 있다. 즉, 전열 매체 열교환기(가온 열교환기(32))를 이용함으로써, 축전 장치(19)의 난기에 사용하는 전열 매체(축전 장치 냉각수)의 온도 상승률이 너무 높은 상태가 되는 것을 억제할 수 있다.
실시 형태에 의하면, 축전 장치 냉각 시스템(27)은, 축전 장치(19)의 온도에 기초하여, 축전 장치용 전열 매체(축전 장치 냉각수)를 라디에이터 관로(28B)와 열교환기 관로(28C) 중 어느 것에 유통시킬지를 전환하는 전환 밸브(33)를 갖고 있다. 이 때문에, 축전 장치(19)의 온도에 기초하여 전환 밸브(33)를 전환 위치 (A) 또는 전환 위치 (B)로 전환함으로써, 축전 장치(19)의 냉각과 가온(난기)을 전환할 수 있다.
실시 형태에 의하면, 전열 매체 열교환기(가온 열교환기(32))에는, 엔진 냉각 시스템(22)의 엔진용 전열 매체(엔진 냉각수)의 유량을 제어하는 제어 밸브(서모스탯(26))의 상태에 관계없이, 엔진용 전열 매체(엔진 냉각수)가 공급된다. 이 때문에, 전열 매체 열교환기(가온 열교환기(32))에는, 엔진(11)에 의해서 데워진 엔진용 전열 매체(엔진 냉각수)를 상시 공급할 수 있다. 이에 의해, 엔진 냉각 시스템(22)의 제어 밸브(서모스탯(26))의 상태(개폐 상태)에 관계없이, 전열 매체 열교환기(가온 열교환기(32))에 의해 축전 장치용 전열 매체(축전 장치 냉각수)의 가온을 행할 수 있다.
또한, 실시 형태에서는, 축전 장치(19)의 온도를 온도 센서(19A)에 의해 검출하는 구성으로 한 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이것에 한정하지 않고, 예를 들면, 축전 장치의 온도를 검출하기 위한 센서로서, 축전 장치 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서를 마련하는 구성으로 해도 된다. 즉, 축전 장치의 온도는, 축전 장치의 온도를 직접 검출(측정)해도 되고, 축전 장치의 온도와 상관 관계를 갖는 상태량(예를 들면, 축전 장치 냉각수의 온도, 축전 장치의 저항) 등을 검출 또는 추정해도 된다. 이 경우, 축전 장치의 온도와 상관 관계를 갖는 상태량을, 축전 장치의 온도(에 대응하는 상태량)로서 그대로 이용해도 된다.
실시 형태에서는, 축전 장치(19)를 리튬 이온 전지에 의해 구성한 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이것에 한정하지 않고, 예를 들면, 니켈카드뮴 전지, 니켈수소 전지 등, 필요한 전력을 공급 가능한 각종의 이차전지에 의해 축전 장치를 구성할 수 있다. 또, 축전 장치와 직류 모선과의 사이에 DC-DC 컨버터 등의 승강압 장치를 마련해도 된다.
실시 형태에서는, 상부 선회체(4)를 선회시키는 선회 장치로서 선회용 유압 모터(3A)와 선회 전동 모터(20)를 구비한 구성을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이것에 한정하지 않고, 예를 들면, 선회 장치의 구동원을 유압 모터만, 또는, 전동 모터만에 의해 구성해도 된다.
실시 형태에서는, 하이브리드식 작업 기계로서 크롤러식의 하이브리드 유압 셔블(1)을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이것에 한정하지 않고, 예를 들면, 휠식의 유압 셔블, 유압 크레인 등의 건설 기계, 휠 로더, 포크리프트, 덤프 트럭 등의 작업 차량 등, 각종의 작업 기계에 널리 적용할 수 있다.
1: 유압 셔블(하이브리드식 작업 기계)
2: 하부 주행체(차체)
4: 상부 선회체(차체)
5: 작업 장치
11: 엔진
15: 어시스트 발전 모터(전동기)
19: 축전 장치
22: 엔진 냉각 시스템
23: 엔진 냉각 관로
24: 엔진용 워터 펌프(엔진 냉각용 펌프)
25: 엔진용 라디에이터
26: 서모스탯(제어 밸브)
27: 축전 장치 냉각 시스템
28: 축전 장치 냉각 관로
28B: 라디에이터 관로
28C: 열교환기 관로
29: 축전 장치용 워터 펌프(축전 장치 냉각용 펌프)
31: 축전 장치용 라디에이터
32: 가온 열교환기(전열 매체 열교환기)
33: 전환 밸브

Claims (3)

  1. 작업 장치가 장착되는 자주 가능한 차체와,
    상기 차체에 탑재된 엔진과,
    상기 엔진에 의해서 회전 구동됨으로써 발전을 행하거나, 또는, 전력이 공급됨으로써 상기 엔진의 구동을 보조하는 전동기와,
    상기 전동기에 의한 발전 전력을 축전하거나, 또는, 축전된 전력을 상기 전동기에 공급하는 축전 장치와,
    상기 엔진을 냉각하는 엔진용 전열 매체가 유통하는 엔진 냉각 관로와,
    상기 엔진용 전열 매체를 상기 엔진 냉각 관로에 공급하는 엔진 냉각용 펌프와,
    상기 엔진 냉각 관로를 개재하여 상기 엔진과 접속되고, 상기 엔진용 전열 매체의 방열을 행하는 엔진용 라디에이터와,
    상기 축전 장치를 냉각하는 축전 장치용 전열 매체가 유통하는 축전 장치 냉각 관로와,
    상기 축전 장치용 전열 매체를 상기 축전 장치 냉각 관로에 공급하는 축전 장치 냉각용 펌프와,
    상기 축전 장치 냉각 관로를 개재하여 상기 축전 장치와 접속되고, 상기 축전 장치용 전열 매체의 방열을 행하는 축전 장치용 라디에이터를 구비한 하이브리드식 작업 기계에 있어서,
    상기 엔진, 상기 엔진 냉각 관로, 상기 엔진 냉각용 펌프 및 상기 엔진용 라디에이터를 포함하는 엔진 냉각 시스템과, 상기 축전 장치, 상기 축전 장치 냉각 관로, 상기 축전 장치 냉각용 펌프 및 상기 축전 장치용 라디에이터를 포함하는 축전 장치 냉각 시스템은, 각각 따로따로의 전열 매체가 유통하는 다른 냉각 시스템으로서 구성되어 있고,
    상기 엔진용 전열 매체와 상기 축전 장치용 전열 매체와의 사이에서 열 교환을 행하는 전열 매체 열교환기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축전 장치 냉각 관로는, 상기 축전 장치 냉각용 펌프, 상기 축전 장치 및 상기 축전 장치용 라디에이터를 접속하는 라디에이터 관로와, 상기 축전 장치 냉각용 펌프, 상기 축전 장치 및 상기 전열 매체 열교환기를 접속하는 열교환기 관로를 갖고,
    상기 축전 장치 냉각 시스템은, 상기 축전 장치의 온도에 기초하여, 상기 축전 장치용 전열 매체를 상기 라디에이터 관로와 상기 열교환기 관로 중 어느 것에 유통시킬지를 전환하는 전환 밸브를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진 냉각 시스템은, 상기 엔진용 라디에이터에 대한 상기 엔진용 전열 매체의 유량을 제어하는 제어 밸브를 갖고,
    상기 전열 매체 열교환기에는, 상기 제어 밸브의 상태에 관계없이, 상기 엔진용 전열 매체가 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
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