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KR101333517B1 - 하이브리드형 작업기계 - Google Patents

하이브리드형 작업기계 Download PDF

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KR101333517B1
KR101333517B1 KR1020137004912A KR20137004912A KR101333517B1 KR 101333517 B1 KR101333517 B1 KR 101333517B1 KR 1020137004912 A KR1020137004912 A KR 1020137004912A KR 20137004912 A KR20137004912 A KR 20137004912A KR 101333517 B1 KR101333517 B1 KR 101333517B1
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KR
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고지 가와시마
Original Assignee
스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

하이브리드형 작업기계는, 엔진(11)과, 엔진(11)에 연결된 전동발전기(12)와, 엔진(11)의 출력에 의하여 회전구동되는 가변용량식 유압펌프(14)와, 엔진(11)의 회전수 및 가변용량식 유압펌프(14)를 제어하는 제어부(30)를 포함한다. 제어부(30)는, 유압부하에 근거하여 엔진(11)을 회전수 제어한다.

Description

하이브리드형 작업기계{Hybrid working machine}
본 발명은 하이브리드형 작업기계에 관한 것으로서, 특히 엔진의 출력으로 유량(流量)가변식 유압펌프를 구동하는 하이브리드형 작업기계에 관한 것이다.
하이브리드형 작업기계에 있어서, 작업요소를 구동하기 위한 유압액추에이터(유압실린더, 유압모터)에 공급하는 유압은, 엔진을 구동원으로 하는 유압펌프에 의하여 발생되는 경우가 많다. 이 경우, 유압액추에이터의 출력은 주로 엔진의 출력에 따라 결정된다.
일반적인 하이브리드형 작업기계에서는, 엔진의 회전수가 항상 일정해지도록 엔진의 구동이 제어되고 있다. 예컨대 하이브리드형 유압쇼벨에서는, 암이나 버킷 등을 요동구동할 때의 저(低)부하모드(저부하 상태)에서의 운전 중에는, 엔진토크는 작다. 따라서, 저부하모드에서는, 엔진회전수를 일정하게 한 채로 엔진토크를 상승시켜 잉여토크를 발생시킨다. 이 잉여토크로 발전기를 구동하여 발전(發電)시켜, 발전전력이 배터리에 충전된다. 한편, 유압펌프에 있어서 필요한 구동토크가 엔진의 정격출력보다 큰 고(高)부하모드(고부하 상태)에서는, 엔진회전수를 일정하게 한 채로 엔진토크를 상승시키고, 또한 배터리로부터의 전력으로 전동기를 구동하여 엔진의 출력에 전동기의 출력을 더함(어시스트함)으로써 필요한 구동토크를 얻고 있다.
상술한 바와 같이, 엔진회전수를 일정하게 유지하면서 엔진출력을 변경하면, 엔진출력의 변화에 따라 엔진효율이 변화하기 때문에, 엔진의 연료소비율도 변화한다. 따라서, 엔진회전수를 일정하게 유지하면서 엔진출력을 변경하는 경우, 항상 연료소비율이 좋은 회전수로 엔진을 운전하고 있다고는 할 수 없다.
따라서, 엔진의 부하상황에 따라 엔진회전수를 가변으로 하여 엔진을 효율 좋게 구동하고, 저부하시에나 고부하시에나 연료소비율을 향상시킬 수 있는 하이브리드형 작업기계가 제안되고 있다.
국제공개 WO2009/157511
상술의 특허문헌 1에 개시된 하이브리드형 유압쇼벨에서는, 엔진의 효율을 고려하여 엔진회전수를 가변으로 하고 있지만, 엔진으로 구동하는 유압펌프의 효율은 고려되고 있지 않다.
여기서, 유압펌프의 효율을 고려한 경우, 작동유를 동일한 유량으로 토출한다면, 가변용량식 유압펌프의 경전각(傾轉角)비(比)를 작게 하여 회전수를 높게 한 경우 쪽이, 경전각비를 크게 하여 회전수를 낮게 한 경우보다, 유압펌프의 효율은 낮아진다. 즉, 일반적으로 피스톤식 유압펌프의 경우, 피스톤의 스트로크가 작고 고속으로 왕복운동하는 경우에 피스톤의 마찰손실 및 동력전달기구의 각 부의 마찰손실이 커지고, 그 결과 펌프효율이 낮아진다. 따라서, 경전각비가 작은 쪽이 펌프효율이 낮아진다.
따라서, 동일한 유량이면 가능한 한 엔진회전수를 줄이고 경전각비를 크게 함으로써, 유압펌프의 효율을 보다 높은 상태로 유지할 수 있는 하이브리드형 작업기계의 개발이 요망되고 있다.
본 발명의 일 실시태양에 의하면, 엔진과, 그 엔진에 연결된 전동발전기와, 그 엔진의 출력에 의하여 회전구동되는 가변용량식 유압펌프와, 그 엔진의 회전수 및 그 가변용량식 유압펌프를 제어하는 제어부를 가지고, 그 제어부는, 유압부하에 근거하여 그 엔진을 회전수 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계가 제공된다.
상술의 발명에 의하면, 엔진회전수를 가능한 한 줄이고 경전각비를 크게 함으로써, 가변용량식 유압펌프의 효율을 보다 높은 상태로 유지할 수 있다.
본 발명의 목적, 이점 및 효과는, 첨부하는 도면을 참조하면서 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 더욱 명료해질 것이다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 일례인 하이브리드형 유압쇼벨의 측면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘의 제어기능 블록도이다.
도 4는, 회전수 연산블록에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 5는, 어시스트출력 연산블록에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 6은, 어시스트출력 연산블록에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제2 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘의 제어기능 블록도이다.
도 8은, 요구엔진출력 연산블록에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 9는, 제2 실시예에 있어서의 회전수 연산블록에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 10은, 제3 실시예에 있어서의 회전수 연산블록에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 11은, 도 2에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 선회기구를 유압구동식으로 한 경우의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 도면에 근거하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 일례인 하이브리드형 유압쇼벨의 측면도이다. 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계로서는, 하이브리드형 유압쇼벨에 한정되지 않고, 유압펌프를 엔진으로 구동하는 것이라면, 다른 하이브리드형 작업기계에도 본 발명을 적용할 수 있다.
도 1에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압유압라인은 굵은선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 실선으로 각각 나타내고 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 유압펌프(14)는 가변용량식 유압펌프이고, 경사판의 각도(경전각(傾轉角))를 제어함으로써 피스톤의 스트로크 길이를 조정하여, 토출유량을 제어할 수 있다. 이하, 가변용량식 유압펌프(14)를 간단히 유압펌프(14)라고 칭하는 경우도 있다.
컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)는, 고압유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다. 또한, 선회기구(2)를 구동하기 위한 선회용 유압모터(2A)도 컨트롤밸브(17)에 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기를 포함한 축전계(120)가 접속된다. 또한, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.
컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(電動)(어시스트)운전 또는 발전(發電)운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압제어부로서의 승강압컨버터를 구동제어함으로써 축전기(커패시터)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 축전기(커패시터)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전)에 근거하여, 승강압컨버터의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 축전기(커패시터)의 충방전제어를 행한다.
승강압컨버터의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스에 설치된 DC버스 전압검출부에 의하여 검출되는 DC버스 전압치, 축전기 전압검출부에 의하여 검출되는 축전기 전압치, 및 축전기 전류검출부에 의하여, 검출되는 축전기 전류치에 근거하여 행해진다.
또한, 축전기 전압검출부에 의하여 검출되는 축전기 전압치에 근거하여, 축전기(커패시터)의 SOC가 산출된다.
또한, 상술의 설명에서는 축전기로서 커패시터를 예로서 나타냈지만, 커패시터 대신에, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 이차전지, 또는, 전력을 주고받을 수 있는 그 외의 형태의 전원을 축전기로서 이용해도 된다.
도 2에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨은 선회기구를 전동으로 한 것이어서, 선회기구(2)를 구동하기 위하여 선회용 전동기(21)가 설치되어 있다. 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)는, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬 브레이크(23), 및 선회변속기(24)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메커니컬 브레이크(23)와, 선회변속기(24)로 부하구동계가 구성된다.
또한, 상술의 구성에 더해, 붐 회생(回生)을 행하기 위하여, 붐실린더(7)에의 유압배관(7A)의 도중에 유압모터(미도시)를 설치해도 된다. 이 경우, 유압모터(미도시)는 발전기(미도시)에 기계적으로 접속되고, 유압모터(미도시)가 구동되면, 그 회전력으로 발전기(미도시)가 구동된다. 발전기(미도시)는 인버터(미도시)를 통하여 축전계에 전기적으로 접속되어 있다.
상술의 붐 회생기구에 있어서, 붐(4)이 하강하면, 붐실린더(7)로부터 작동유가 컨트롤밸브(17)로 되돌아간다. 이 복귀 작동유에 의하여 유압모터(미도시)가 구동되고 회전력(토크)이 발생한다. 이 회전력은 발전기(미도시)에 전달되고, 발전기(미도시)가 구동되어 전력이 발생한다. 발전기(미도시)에서 발생한 전력은 인버터(미도시)를 통하여 축전계(120)의 DC버스에 공급된다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 구성의 하이브리드형 유압펌프에 있어서, 가변용량식 유압펌프(14)의 경전각비(X)(경사판의 기울기를 나타내는 파라미터)가 가능한 한 커지도록, 엔진(11)의 회전수를 가변제어하는 것을 특징으로 한다. 가변용량식 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 가능한 한 크게 하기 위해서는, 엔진(11)의 회전수가 가능한 한 작아지도록 제어한다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계에 있어서의 회전수 가변제어 알고리즘에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘의 제어기능 블록도이다. 이 회전수 가변제어 알고리즘에 의한 제어는 컨트롤러(30)에 의하여 행해진다.
먼저, 유압펌프 요구부하 추정블록(40-1)에 있어서, 유압펌프(14)의 토출압력(Pi)과 펌프제한전류(I)를 이용하여 펌프마력제어(PQ)선도로부터 펌프토출량(V)이 구해진다. 구해진 펌프토출량(V)에 펌프회전속도(회전수)를 곱함으로써 유압펌프(14)의 목표토출유량(Q)이 산출된다. 즉, 요구되고 있는 유압부하로부터, 유압펌프(14)가 출력해야 하는 목표토출유량(Q)이 구해진다. 유압펌프(14)의 토출압력(Pi)과 펌프제한전류(I)와 펌프회전속도(회전수)가, 유압부하를 나타내는 값으로서 이용된다. 유압펌프 요구부하 추정블록(40-1)에 있어서 구해진 목표토출유량(Q)은, 회전수 연산블록(40-2)에 공급된다.
도 4는 회전수 연산블록(40-2)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다. 회전수 연산블록(40-2)에서는, 공급된 목표토출유량(Q)을, 최대 경전각비일 때의 펌프용적(Vmax)으로 제산함으로써, 펌프 최대 경전각비 시의 펌프회전수가 구해진다. 즉, 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 최대치((최대경전각비)Xmax)로 설정하였을 때에 유압펌프(14)가 목표토출유량(Q)을 출력하기 위하여 필요한 펌프회전수가 구해진다. 그리고, 구해진 펌프회전수에, 엔진(11)의 회전수와 유압펌프(14)의 회전수의 비인 감속비(n)를 승산함으로써, 엔진회전수(Ne1)가 구해진다. 즉, 구해진 엔진회전수(Ne1)는, 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 최대로 하였을 때에, 목표토출유량(Q)을 출력하기 위하여 필요한 펌프회전수로 유압펌프(14)를 구동하기 위하여 필요한 엔진회전수이다. 그리고, 구해진 엔진회전수(Ne1)가, 엔진(11)의 허용회전수의 범위 내인지가 판정된다. 엔진회전수(Ne1)가 허용회전수 범위 내인 경우에는, 엔진회전수(Ne1)는 그대로 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력된다. 엔진회전수(Ne1)가 허용 최소회전수보다 낮은 경우에는, 허용 최소회전수가 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력된다. 엔진회전수(Ne1)가 허용 최대회전수보다 높은 경우에는, 허용 최대회전수가 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력된다.
예컨대, 유압부하가 작은 경우에는, 목표토출유량(Q)이 작아지고, 그 결과 엔진회전수(Ne1)가 너무 작아져서, 그대로는 엔진이 스톨될 우려가 있다. 따라서, 엔진회전수(Ne1)가 허용 최소회전수보다 낮은 경우에는, 상술한 바와 같이 허용 최소회전수를 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력함으로써, 엔진회전수가 너무 낮아지지 않도록 리미트를 설정하고 있다.
다만, 피스톤 스트로크 길이를 가능한 한 크게 하는 의미에서, 경전각비(X)를 최대치(Xmax)(X=100%)로 했을 경우의 엔진회전수를 구하고 있지만, 가능한 한 크게 하는 것이 중요하며, 반드시 최대경전각비(Xmax)(X=100%)로 할 필요는 없다. 예컨대, 경전각비(X)를 90% 이상(90~100%)으로 하여도 피스톤 스트로크 길이를 크게 하여 효율을 개선하는 효과는 얻을 수 있다. 즉, 종래의 제어에서 이용되는 경전각비보다 큰 경전각비로 설정함으로써, 보다 긴 피스톤 스트로크 길이로 유압펌프를 구동하여 효율을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 펌프마력제어(PQ)선도를 이용하여 펌프 목표토출유량(Q)이 산출된다. 그리고, 산출된 펌프 목표토출유량(Q)에 근거하여 엔진회전수 지령(Ne)이 산출된다. 이와 같이, 본 발명에서는, 펌프 특성을 고려하여 엔진회전수 지령(Ne)이 산출되고 있으므로, 유압식 건설기계와 동일한 움직임을 실현할 수 있어서, 오퍼레이터에게 위화감을 주는 것을 억제할 수 있다.
회전수 연산블록(40-2)으로부터 출력된 엔진회전수 지령(Ne)은, 엔진(11)의 구동을 제어하는 엔진컨트롤유닛(ECM)(11A)에 공급된다. 엔진컨트롤유닛(ECM)(11A)은, 공급된 엔진회전수 지령(Ne)에 나타난 회전수가 되도록 엔진(11)에 연료를 공급한다. 또한, 회전수 연산블록(40-2)으로부터 출력된 엔진회전수 지령(Ne)은, 어시스트출력 연산블록(40-3)에도 공급된다.
어시스트출력 연산블록(40-3)에는, 유압펌프 요구부하 추정블록(40-1)에 있어서 구해진 목표토출유량(Q)도 공급된다. 도 5는 어시스트출력 연산블록(40-3)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다. 어시스트출력 연산블록(40-3)에서는, 목표토출유량(Q)에 유압펌프 토출압력(Pi)이 승산되어, 유압펌프출력(축출력측)(Wout)이 구해진다. 그리고, 구해진 유압펌프출력(축출력측)(Wout)을 펌프 전체효율(η0)로 제산함으로써, 유압부하 요구출력(Pp)이 구해진다. 유압부하 요구출력(Pp)은, 유압펌프출력(축입력측)(Win)에 상당한다.
또한, 어시스트출력 연산블록(40-3)에서는, 회전수 연산블록(40-2)으로부터 공급된 엔진회전수 지령(Ne)으로부터 엔진목표출력(Pen2)이 구해진다. 그리고, 상술과 같이 구한 유압부하 요구출력(Pp)으로부터 엔진목표출력(Pen2)을 감산함으로써, 엔진보상 어시스트량(Pa1)이 구해진다. 엔진보상 어시스트량(Pa1)은, 유압부하 요구출력(Pp)이 엔진목표출력(Pen2)보다 클 때에 플러스의 값이 되고, 이는 어시스트 모터인 전동발전기(12)의 어시스트량에 상당한다. 어시스트출력 연산블록(40-3)으로부터 출력된 엔진보상 어시스트량(Pa1)은, 어시스트지령 결정블록(40-5)에 공급된다.
여기서, 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에서는, 선회용 전동기(21)의 전기부하 요구출력(Pel)과, 축전계(120)의 축전기(커패시터)의 충전율(SOC)로부터, 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 구해진다. 도 6은 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다. 축전계(120)의 축전기(커패시터)의 충전율(SOC)로부터, 축전기가 현재 출력할 수 있는 축전기 목표출력(Pc)이 구해진다. 그리고, 축전기 목표출력(Pc)으로부터 전기부하 요구출력(Pel)을 감산함으로써, 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 구해진다. 즉, 축전기보상 어시스트량(Pa2)은, 축전기가 현재 출력할 수 있는 전력으로부터, 전기부하인 선회용 전동기(12)가 필요로 하고 있는 전력을 감산하여 구해진 전력이며, 어시스트 모터로서의 전동발전기(12)에 대하여 공급할 수 있는 최대 전력에 상당한다. 어시스트출력 연산블록(40-4)으로부터 출력된 축전기보상 어시스트량(Pa2)은, 어시스트지령 결정블록(40-5)에 공급된다.
이상과 같이, 어시스트지령 결정블록(40-5)에는, 엔진보상 어시스트량(Pa1)과 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 공급된다. 어시스트지령 결정블록(40-5)에서는, 엔진보상 어시스트량(Pa1)과 축전기보상 어시스트량(Pa2) 중 큰 쪽이 선택된다. 선택된 엔진보상 어시스트량(Pa1) 또는 축전기보상 어시스트량(Pa2)은, 어시스트 모터로서의 전동발전기(12)에의 출력지령(Pa)으로서 전동발전기(12)에 출력된다.
다만, 선회기구(2)가 전동이 아니라 유압구동인 경우에는, 작업요소로서의 전기부하는 없어서, 전기부하 요구출력(Pel)은 제로가 된다. 따라서, 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에서는, 축전기의 충전율(SOC)로부터 구해진 축전기 목표출력(Pc)이 그대로 축전기보상 어시스트량(Pa2)으로서 출력된다. 또한, 붐 회생을 행하는 경우에는, 전기부하 요구출력(Pel)에는, 붐 회생용의 발전기에서 발전되는 발전전력이 포함된다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘에 의하면, 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 최대치(Xmax)로 한 경우의 엔진회전수(Ne1)에 근거하여 엔진회전수 지령(Ne)이 결정된다. 따라서, 경전각비(X)가 큰 상태로 유압펌프(14)를 구동할 수 있어, 유압펌프의 효율이 좋은 상태를 유지할 수 있다. 그리고, 그렇게 하여 결정된 엔진회전수 지령(Ne)과 축전기의 충전율(SOC)로부터, 어시스트 모터로서의 전동발전기(12)의 어시스트량이 결정되므로, 전동발전기(12)가 적절히 엔진 어시스트를 행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘의 제어기능 블록도이다. 이 회전수 가변제어 알고리즘에 의한 제어는 컨트롤러(30)에 의하여 행해진다. 도 7에 있어서, 도 3에 나타내는 구성부분과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
본 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘에서는, 엔진(11)이 출력해야 할 동력으로서 요구엔진출력(Pen)을 구하고 나서, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해지는 엔진회전수(Ne2)와, 목표토출유량(Q)으로부터 구해지는 엔진회전수(Ne1) 중 어느 큰 쪽을 선택하고, 선택한 엔진회전수를 엔진회전수 지령(Ne)으로 설정한다.
따라서, 본 실시예에서는, 유압펌프 요구부하 추정블록(40-1)과 회전수지령 연산블록(40-2) 사이에, 요구엔진출력 연산블록(40-6)이 설치된다. 도 8은 요구엔진출력 연산블록(40-6)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다. 도 8에는, 어시스트출력 연산블록(40-4)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘도 나타나 있는데, 어시스트출력 연산블록(40-4)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘에 대해서는, 상술의 제1 실시예에서 설명한 것과 동일하여, 그 설명은 생략한다.
요구엔진출력 연산블록(40-6)에서는, 유압펌프 요구부하 추정블록(40-1)으로부터 공급되는 목표토출유량(Q)에 유압펌프 토출압력(Pi)이 승산되어, 유압펌프출력(축출력측)(Wout)이 구해진다. 그리고, 구해진 유압펌프출력(축출력측)(Wout)을 펌프 전체효율(η0)로 제산함으로써, 유압부하 요구출력(Pp)이 구해진다. 유압부하 요구출력(Pp)은, 유압펌프출력(축입력측)(Win)에 상당한다. 여기서, 구해진 유압부하 요구출력(Pp)으로부터, 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에서 구해진 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 감산되어, 요구엔진출력(Pen)으로서 회전수지령 연산블록(40-2)에 출력된다. 유압부하 요구출력(Pp)으로부터 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 감산됨으로써, 엔진(11)이 출력해야 하는 요구엔진출력(Pen)을 정밀도 좋게 구할 수 있다.
회전수 연산블록(40-2)에서의 처리는, 상술의 제1 실시예에서의 처리와는 상이하다. 본 실시예에서는, 요구엔진출력(Pen)은 요구엔진출력 연산블록(40-6)에서 구해지고 있으므로, 회전수 연산블록(40-2)에서는, 요구엔진출력(Pen)으로부터 엔진회전수 지령(Ne)을 결정하는 처리가 행해진다.
도 9는 제2 실시예에 있어서의 회전수 연산블록(40-2)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다. 회전수 연산블록(40-2)에서는, 상술의 제1 실시예와 마찬가지로, 목표토출유량(Q)으로부터 엔진회전수 지령(Ne1)이 구해진다. 구해진 엔진회전수 지령(Ne1)은, 최대치 선택기에 공급된다. 한편, 요구엔진출력 연산블록(40-6)으로부터 공급된 요구엔진출력(Pen)으로부터, 엔진출력과 엔진 최소회전수의 관계에 근거하여, 엔진회전수(Ne2)가 구해진다. 즉, 요구엔진출력(Pen)을 출력하기 위하여 필요한 엔진의 최소회전수가 엔진회전수(Ne2)가 된다. 엔진회전수(Ne2)는, 최대치 선택기에 공급된다. 최대치 선택기는, 목표토출유량(Q)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne1)와, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2) 중, 큰 쪽을 선택한다.
목표토출유량(Q)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne1)와, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2) 중, 큰 쪽을 선택하는 이유는 이하와 같다.
즉, 목표토출유량(Q)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne1)는, 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 최대치(최대경전각비)(Xmax)로 한 경우에 목표토출유량(Q)을 얻을 수 있는 엔진회전수로서, 엔진(11)의 출력특성은 고려되어 있지 않다. 어떤 회전수일 때의 최대 출력은 엔진(11)의 출력특성에 의하여 정해진다. 엔진(11)의 요구출력은 유압펌프(14)의 토출유량과 토출압력의 곱에 상당하기 때문에, 요구출력이 동일한 경우이더라도, 압력이 낮고 유량이 큰 경우나 압력이 높고 유량이 작은 경우 등 다양한 조건이 된다. 따라서, 경전각비가 동일한 조건 하에서는, 압력이 낮고 유량이 큰 경우, 요구출력을 얻기 위한 회전수는 높아진다. 한편, 압력이 높고 유량이 작은 경우에는, 요구출력을 얻기 위한 회전수는 낮아진다.
요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2)는, 유압펌프(14)의 경전각비(X)는 고려되어 있지 않고, 단순히 엔진(11)에 요구되는 출력을 얻을 수 있는 회전수이며, 엔진(11)이 어떤 회전수일 때에 낼 수 있는 최대 출력이 된다.
따라서, 최대경전각비(Xmax)를 전제로 하여 구해진 엔진회전수(Ne1)와, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2)는 항상 동일한 것은 아니다. 유압펌프(14)의 토출유량과 토출압력의 관계로부터, 최대경전각비(Xmax)를 전제로 하여 구해진 엔진회전수(Ne1) 쪽이, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2)보다도 낮아지는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우에, 최대경전각비(Xmax)를 전제로 하여 구해진 엔진회전수(Ne1)를 엔진회전수 지령(Ne)으로서 설정해 버리면, 엔진회전수가 너무 낮아 엔진(11)이 요구엔진출력(Pen)을 낼 수 없게 된다.
따라서, 본 실시예에서는, 최대경전각비(Xmax)를 전제로 하여 구해진 엔진회전수(Ne1)와, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2)를 비교하여, 큰 쪽을 채용함으로써, 그 회전수에서 엔진(11)이 반드시 요구출력을 낼 수 있도록 하고 있다.
이상과 같이 하여 선택된 엔진회전수(Ne1 또는 Ne2)는, 엔진(11)의 허용 회전수의 범위 내인지가 판정된다. 선택된 엔진회전수(Ne1 또는 Ne2)가 허용 회전수범위 내인 경우에는, 선택된 엔진회전수(Ne1 또는 Ne2)는 그대로 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력된다. 선택된 엔진회전수(Ne1 또는 Ne2)가 허용 최소회전수보다 낮은 경우에는, 허용 최소회전수가 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력된다. 선택된 엔진회전수(Ne1 또는 Ne2)가 허용 최대회전수보다 높은 경우에는, 허용 최대회전수가 엔진회전수 지령(Ne)으로서 출력된다.
회전수 연산블록(40-2)으로부터 출력된 엔진회전수 지령(Ne)은, 어시스트출력 연산블록(40-3)에 공급된다. 어시스트출력 연산블록(40-3)에서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 목표토출유량(Q)에 유압펌프 토출압력(Pi)이 승산되어, 유압펌프출력(축출력측)(Wout)이 구해진다. 그리고, 구해진 유압펌프출력(축출력측)(Wout)을 펌프 전체효율(η0)로 제산함으로써, 유압부하 요구출력(Pp)을 구한다. 유압부하 요구출력(Pp)은, 유압펌프출력(축입력측)(Win)에 상당한다.
또한, 어시스트출력 연산블록(40-3)에서는, 회전수 연산블록(40-2)으로부터 공급된 엔진회전수 지령(Ne)으로부터 엔진목표출력(Pen)이 구해진다. 그리고, 상술한 바와 같이 구해진 유압부하 요구출력(Pp)으로부터 엔진목표출력(Pen2)을 감산함으로써, 엔진보상 어시스트량(Pa1)이 구해진다. 엔진보상 어시스트량(Pa1)은, 유압부하 요구출력(Pp)이 엔진목표출력(Pen2)보다 클 경우에 플러스의 값이 되고, 이는 어시스트 모터인 전동발전기(12)의 어시스트량에 상당한다. 어시스트출력 연산블록(40-3)으로부터 출력된 엔진보상 어시스트량(Pa1)은, 어시스트지령 결정블록(40-5)에 공급된다.
여기서, 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에서는, 상술의 제1 실시예와 마찬가지로, 선회용 전동기(21)의 전기부하 요구출력(Pel)과, 축전계(120)의 축전기(커패시터)의 충전율(SOC)로부터, 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 구해진다. 어시스트출력 연산블록(40-4)으로부터 출력된 축전기보상 어시스트량(Pa2)은, 어시스트지령 결정블록(40-5)에 공급된다.
이상과 같이, 어시스트지령 결정블록(40-5)에는, 엔진보상 어시스트량(Pa1)과 축전기보상 어시스트량(Pa2)이 공급된다. 어시스트지령 결정블록(40-5)에서는, 엔진보상 어시스트량(Pa1)과 축전기보상 어시스트량(Pa2) 중 큰 쪽이 선택된다. 선택된 엔진보상 어시스트량(Pa1) 또는 축전기보상 어시스트량(Pa2)은, 어시스트 모터로서의 전동발전기(12)에의 출력지령(Pa)으로서 전동발전기(12)에 출력된다.
다만, 선회기구(2)가 전동이 아닌 유압구동인 경우에는, 작업요소로서의 전기부하는 없어서, 전기부하 요구출력(Pel)은 제로가 된다. 따라서, 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에서는, 축전기의 충전율(SOC)로부터 구해진 축전기 목표출력(Pc)이 그대로 축전기보상 어시스트량(Pa2)으로서 출력된다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘에 의하면, 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 최대치(Xmax)로 한 경우의 엔진회전수(Ne1)에 근거하여 엔진회전수 지령(Ne)이 결정된다. 따라서, 경전각비(X)가 큰 상태에서 유압펌프(14)를 구동할 수 있어, 유압펌프의 효율이 좋은 상태를 유지할 수 있다. 그리고, 그렇게 하여 결정된 엔진회전수 지령(Ne)과 축전기의 충전율(SOC)로부터, 어시스트 모터로서의 전동발전기(12)의 어시스트량을 결정하므로, 전동발전기(12)가 적절히 엔진 어시스트를 행할 수 있다. 또한, 엔진회전수 지령(Ne)을 결정할 때에, 요구엔진출력을 고려하므로, 엔진회전수 지령(Ne)를 보다 적절히 설정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 대하여 설명한다. 본 발명의 제3 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘은 기본적으로 도 7에 나타내는 회전수 가변제어 알고리즘과 동일하지만, 회전수 연산블록(40-2)에 있어서의 처리가 상이하다.
본 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘에서는, 엔진(11)이 출력해야 하는 동력으로서 요구엔진출력(Pen)을 구하고 나서, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2)와, 목표토출유량(Q)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne1) 중 어느 큰 쪽을 선택하고, 선택한 엔진회전수를 엔진회전수 지령(Ne)으로 설정한다. 이는 상술의 제2 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘의 회전수 연산블록(40-2)에서의 처리와 동일하지만, 본 실시예에서는, 목표토출유량(Q)으로부터 엔진회전수(Ne1)를 구할 때에, 유압펌프(14)의 펌프손실을 고려하는 점이 상이하다.
즉, 상술의 제2 실시예에 있어서, 펌프 최대경전각비 시의 펌프회전수(Np)를 구할 때에, 최대경전각비 시의 용적(Vmax)을 이용하고 있는데, 용적(Vmax)은 최대경전각비(Xmax)로 한 경우의 피스톤 스트로크 길이로부터 얻어지는 이론치이고, 실제로는 작동유의 압축성이나 누설 등에 기인한 손실이 발생한다. 따라서, 최대경전각비(Xmax)로 한 경우에 실제로 실린더로부터 토출되는 작동유의 체적은, 이론 용적(Vmax)으로부터 펌프손실분을 감산한 것이 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 이론 용적(Vmax)으로부터 손실분을 감산한 값을 펌프용적(V)으로서 이용함으로써, 펌프손실분을 고려하여 보다 정밀도 높게 엔진회전수 지령(Ne1)을 구하고 있다.
도 10은 제3 실시예에 있어서의 회전수 연산블록(40-2)에서 행해지는 처리의 연산알고리즘을 나타내는 도면이다. 회전수 연산블록(40-2)에서는, 상술의 제2 실시예와 마찬가지로, 목표토출유량(Q)으로부터 구해진 엔진회전수 지령(Ne1)과, 요구엔진출력(Pen)으로부터 구해진 엔진회전수(Ne2) 중, 큰 쪽이 선택되어 엔진회전수(Ne)로서 출력된다. 그러나, 목표토출유량(Q)으로부터 엔진회전수 지령(Ne1)을 구할 때에, 펌프손실분을 뺀 펌프용적(V)을 펌프손실특성 연산(V=Vmax-W(X=1, P))에 의하여 구하고, 목표토출유량(Q)을, 구한 펌프용적(V)으로 제산함으로써, 펌프 최대경전각비 시 회전수(Np)를 산출한다.
펌프손실은, 토출압력(Pi)과 경전각비(X(즉, 피스톤 스트로크 길이))에 의존하기 때문에, 토출압력(Pi)과 경전각비(X)의 함수로서 구해진다. 여기서, 경전각비(X)는 변수이지만, 최대경전각비(Xmax)=1로 고정하는 것으로 한다. 최대경전각의 경우에는 피스톤 스트로크 길이가 최대이고, 피스톤 스트로크 길이에 의존하는 손실분도 최대가 되기 때문에, 최대의 손실분을 전망해 손실을 산출하는 것으로 하고 있다. 상술의 펌프손실특성 연산(V=Vmax-W(X=1, P)) 중, W가 펌프손실이고, X=1이 최대경전각비(Vmax)에 상당하며, P가 토출압력(Pi)에 상당한다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 회전수 가변제어 알고리즘에 의하면, 유압펌프(14)의 경전각비(X)를 최대치(Xmax)로 하고, 또한 펌프손실을 고려하였을 때의 엔진회전수(Ne1)에 근거하여 엔진회전수 지령(Ne)이 결정된다. 따라서, 경전각비(X)가 큰 상태로 유압펌프(14)를 구동할 수 있어, 유압펌프를 효율 좋게 운전하고 있는 상태를 유지할 수 있다. 그리고, 그렇게 하여 결정된 엔진회전수 지령(Ne)과 축전기의 충전율(SOC)로부터, 어시스트 모터로서의 전동발전기(12)의 어시스트량이 결정되므로, 전동발전기(12)가 적절히 엔진 어시스트를 행할 수 있다. 또한, 엔진회전수 지령(Ne)을 결정할 때에, 요구엔진출력이 고려되므로, 엔진회전수 지령(Ne)을 보다 적절히 설정할 수 있다.
다만, 상술의 실시예에서는 선회기구(2)가 전동식이었지만, 선회기구(2)가 전동이 아닌 유압구동인 경우가 있다. 도 11은 도 2에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 선회기구를 유압구동식으로 하였을 경우의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 11에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨에서는, 선회용 전동기(21) 대신에, 선회 유압모터(2A)가 컨트롤밸브(17)에 접속되고, 선회기구(2)는 선회 유압모터(2A)에 의하여 구동된다. 이러한, 하이브리드형 유압쇼벨이더라도, 상술과 같이, 요구어시스트출력 연산블록(40-4)에 있어서 축전기의 충전율(SOC)로부터 구해진 축전기 목표출력(Pc)을 그대로 축전기보상 어시스트량(Pa2)으로서 출력함으로써, 상술의 회전수 가변제어 알고리즘에 의하여 엔진회전수 및 전동발전기(어시스트 모터)의 어시스트량을 제어할 수 있다.
본 발명은 구체적으로 개시된 상술의 실시예로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이, 다양한 변형예 및 개량예가 이루어질 것이다.
본 출원은, 2010년 10월 6일 출원된 일본 특허출원 제2010-226912호에 근거하는 것으로서, 그 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
본 발명은, 엔진의 출력으로 유량가변식 유압펌프를 구동하는 하이브리드형 작업기계에 적용 가능하다.
1 하부주행체
1A, 1B 주행기구
2 선회기구
2A 선회 유압모터
3 상부선회체
4 붐
5 암
6 리프팅 마그넷
7 붐실린더
7A 유압배관
8 암실린더
9 버킷실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 변속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압유압라인
17 컨트롤밸브
18, 18A, 20 인버터
19 배터리
21 선회용 전동기
22 리졸버
23 메커니컬 브레이크
24 선회감속기
25 파일럿라인
26 조작장치
26A, 26B 레버
26C 페달
27 유압라인
28 유압라인
29 압력센서
30 컨트롤러
40-1 유압펌프 요구부하 추정블록
40-2 회전수 연산블록
40-3 어시스트출력 연산블록
40-4 요구어시스트출력 연산블록
40-5 어시스트지령 결정블록
40-6 요구엔진출력 연산블록
120 축전계

Claims (16)

  1. 엔진과,
    상기 엔진에 연결된 전동발전기와,
    상기 엔진의 출력에 의하여 회전구동되는 가변용량식 유압펌프와,
    상기 엔진의 회전수 및 상기 가변용량식 유압펌프를 제어하는 제어부
    를 가지고,
    상기 제어부는, 유압부하에 근거하여 상기 가변용량식 유압펌프의 목표회전수를 구하고, 그 목표회전수를 이용하여 상기 엔진을 회전수 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 목표회전수에 근거하여 상기 엔진의 목표출력을 구하고,
    상기 엔진을 회전수 제어함과 함께, 상기 엔진의 목표출력과 상기 유압부하로부터 상기 전동발전기의 출력을 구하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가변용량식 유압펌프의 경전각비(比)가 최대가 되는 조건 하에서, 상기 가변용량식 유압펌프의 토출유량이 목표유량이 되도록, 상기 목표회전수를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가변용량식 유압펌프의 상기 목표회전수와, 요구엔진출력으로부터 구해지는 상기 가변용량식 유압펌프의 최소회전수를 비교하여, 어느 큰 쪽을 이용하여 엔진제어를 행하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 요구엔진출력은, 상기 유압부하와 작업요소로서의 전기부하로부터 산출되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가변용량식 유압펌프의 최대용적에 근거하여, 상기 가변용량식 유압펌프의 토출유량이 목표유량이 되도록, 상기 목표회전수를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 목표회전수에는 펌프가 회전할 때에 발생하는 손실이 포함되어 있는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압부하는 유압펌프 요구부하 추정블럭에 의하여 추정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  9. 엔진과,
    상기 엔진에 연결된 전동발전기와,
    상기 엔진의 출력에 의하여 회전구동되는 가변용량식 유압펌프와,
    상기 엔진의 회전수 및 상기 가변용량식 유압펌프를 제어하는 제어부
    를 가지고,
    상기 제어부는, 유압부하에 근거하여 상기 엔진을 회전수 제어하고,
    상기 제어부는,
    상기 엔진의 출력과 상기 유압부하로부터 상기 전동발전기의 엔진보상 어시스트출력을 산출하고,
    전기부하로부터 상기 전동발전기의 축전기보상 어시스트출력을 산출하며,
    상기 엔진보상 어시스트출력과 상기 축전기보상 어시스트출력 중 큰 쪽에 근거하여 상기 전동발전기를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유압부하는 유압펌프 요구부하 추정블럭에 의하여 추정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 유압부하에 근거하여 상기 가변용량식 유압펌프의 목표회전수를 구하고,
    그 목표회전수를 이용하여 상기 엔진을 회전수 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가변용량식 유압펌프의 경전각비(比)가 최대가 되는 조건 하에서, 상기 가변용량식 유압펌프의 토출유량이 목표유량이 되도록, 상기 목표회전수를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  13. 엔진과,
    상기 엔진에 연결된 전동발전기와,
    상기 엔진의 출력에 의하여 회전구동되는 가변용량식 유압펌프
    를 가지는 하이브리드형 작업기계의 제어방법으로서,
    유압부하에 근거하여 상기 가변용량식 유압펌프의 목표회전수를 구하고,
    그 목표회전수를 이용하여 상기 엔진을 회전수 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 목표회전수에 근거하여 상기 엔진의 목표출력을 구하고,
    상기 엔진을 회전수 제어함과 함께, 상기 엔진의 출력과 상기 유압부하로부터 상기 전동발전기의 출력을 구하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계의 제어방법.
  15. 엔진과,
    상기 엔진에 연결된 전동발전기와,
    상기 엔진의 출력에 의하여 회전구동되는 가변용량식 유압펌프
    를 가지는 하이브리드형 작업기계의 제어방법으로서,
    유압부하에 근거하여 상기 엔진을 회전수 제어하고,
    상기 엔진의 출력과 상기 유압부하로부터 상기 전동발전기의 엔진보상 어시스트출력을 산출하고,
    전기부하로부터 상기 전동발전기의 축전기보상 어시스트출력을 산출하며,
    상기 엔진보상 어시스트출력과 상기 축전기보상 어시스트출력 중 큰 쪽에 근거하여 상기 전동발전기를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계의 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 유압부하는 유압펌프 요구부하 추정블럭에 의하여 추정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계의 제어방법.
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