KR101886896B1 - 하이브리드식 건설 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 방식의 건설 기계와 위화감이 없는 선회 동작의 조작성을 구비하는 동시에, 축전 장치를 대용량화하는 일 없이, 수명을 고려한 적정 범위로 축전 장치의 축전량이 제어되는 하이브리드식 건설 기계를 제공하는 것이다. 선회체를 구동하는 전동 모터 및 유압 모터와, 축전 장치와, 축전 장치의 충방전을 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 컨트롤러는 축전 장치의 축전량에 관하여, 선회체의 선회 속도에 따라서 설정되는 방전 지령 영역을 기억하는 기억부와, 축전 장치의 축전량이 상기 기억부에 기억시킨 방전 지령 영역에 이르렀을 때에는, 축전 장치의 축전량에 따라서 전동 모터의 역행량을 증가시키기 위한 전동 모터의 추가 구동 토크 지령값을 연산하여, 선회체를 구동하기 위해 추가 구동 토크 지령값을 전동 모터측에 출력하는 연산부를 구비하였다.

Description

하이브리드식 건설 기계 {HYBRID-TYPE CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은 유압 셔블 등의 선회체를 갖는 하이브리드식 건설 기계에 관한 것으로, 특히, 선회체 구동용 전동 모터와 축전 장치를 구비한 선회체를 갖는 하이브리드식 건설 기계에 관한 것이다.

유압 셔블 등의 선회체를 갖는 건설 기계는, 종래, 엔진으로 유압 펌프를 구동하여, 유압 펌프로부터 토출되는 유압으로 유압 모터를 회전하고, 관성체인 선회체를 구동하는 것이 주류였지만, 최근에 이르러, 엔진의 연비 향상, 소음 레벨의 저감 및 배기 가스량의 저감 등을 도모하기 위해, 축전 장치로부터의 전기 에너지의 공급을 받아 구동하는 전동 모터 및 유압 모터의 양쪽을 사용하여 선회체를 구동하는 하이브리드 방식의 것이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이 특허문헌 1에 기재된 건설 기계에는 선회용 전동 모터에 추가하여, 축전 장치의 축전 레벨이 저하된 경우에, 전기 에너지를 축전 장치에 공급하는 발전용의 다른 전동 모터도 구비되어 있다.

특허문헌 1에는 하이브리드 방식의 건설 기계의 제어 수단으로서, 전동 모터가 구동 제어될 때의 토크를, 선회 구동용 유압 모터의 인측과 아웃측의 차압에 관련지어 지령하는 토크 지령 수단을 구비하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1에는 가속 구동 시에 있어서의 유압 모터의 토크와 전동 모터의 토크의 비율 및 감속 구동 시에 있어서의 유압 모터의 토크와 전동 모터의 토크의 비율을, 유압 모터의 인측과 아웃측의 차압을 파라미터로 하여 정하는 기술도 개시되어 있다(예를 들어, 단락 0060). 특허문헌 1에는, 이들의 기술에 따르면, 관성체인 선회체를 연속해서 원활하게 구동 제어하는 것이 가능해지고, 또한 제동 시의 에너지를 전기 에너지로 하여 효과적으로 축전 장치에 도입할 수 있다고 기재되어 있다(예를 들어, 단락 0033, 0034).

일본 특허 출원 공개 제2008-63888호 공보

그런데, 특허문헌 1에 기재된 기술은 유압 모터의 인측과 아웃측의 차압을 파라미터로 하여, 가속 구동 시 및 감속 구동 시에 있어서의 유압 모터가 분담하는 토크와 전동 모터가 분담하는 토크의 각각을 변경함으로써 그 비율을 변경하여, 선회체의 구동에 필요한 토크를 얻는 구성이지만, 기계의 동작 중에 유압 모터의 출력을 자유롭게 변경하는 것은, 실제로는 매우 곤란하다. 이러한 구성에 따르면, 가속 구동 시에 전동 모터가 소비하는 전기 에너지와, 감속 구동 시에 전동 모터가 발전하는 전기 에너지에 차가 있으므로, 축전 장치의 축전량이 증감하게 된다. 물론, 축전 장치의 축전량이 부족하면, 전동 모터를 소요의 토크로 구동할 수 없게 되고, 축전 장치의 축전량이 과충전의 상태로 되면, 축전 장치의 수명에 악영향을 미치고, 최악의 경우에는 축전 장치가 고장 나기까지 한다.

그러나, 특허문헌 1에는 축전 장치의 충방전 관리에 관하여, 축전 장치의 축전량이 소정값보다도 저하되어 있는 경우에, 발전용 전동기를 구동하여, 그 발전 에너지를 축전 장치에 공급한다(단락 0053, 0055)고 기재되어 있을 뿐이고, 축전 장치의 과충전에 의한 수명으로의 악영향을 고려한 에너지 매니지먼트에 대해서는, 전혀 기재되어 있지 않다.

한편, 이와 같은 건설 기계에 있어서는, 유압 모터만을 사용하여 선회체를 구동하는 종래 방식의 건설 기계의 조작에 익숙해진 오퍼레이터가 위화감 없이 조작할 수 있도록, 유압 모터 및 전동 모터가 분담하는 구동 토크를 적절하게 제어할 필요가 있다. 그때에, 전동 모터가, 구동(역행) 시에 소비하고, 제동(회생) 시에 발생하는 에너지를, 전동 모터와 접속된 축전 장치가 충방전하게 된다. 축전 장치의 용량에는 한계가 있으므로, 축전 장치의 축전량을 적정하게 관리하는 것, 즉 에너지 매니지먼트가 특히 중요해진다.

또한, 대용량의 축전 장치를 구비하면, 상술한 바와 같은 에너지 매니지먼트를 불필요로 하는 것도 가능해지지만, 축전 장치의 대용량화에 수반하여 건설 기계에 있어서의 축전 장치의 설치 스페이스가 커지고, 또한 건설 기계가 고비용화된다고 하는 단점이 있다.

또한, 축전 장치의 축전량이, 수명을 고려한 경우에 적정이 되는 사용 범위가 되는 에너지 매니지먼트를 실시해도, 기계의 작업 패턴은 규정되어 있지 않으므로, 가속 구동 시에 전동 모터가 소비하는 전기 에너지와 감속 구동 시에 전동 모터가 발전하는 전기 에너지의 차에 따라서는, 축전 장치의 축전량이 적정 범위를 초과할 수도 있다. 이를 방지하기 위해서는, 축전 장치의 대용량화가 생각되지만, 전술한 바와 같이 설치 스페이스나 비용의 관점으로부터 바람직하지 않다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 종래 방식의 건설 기계와 위화감이 없는 선회 동작의 조작성을 구비하는 동시에, 축전 장치를 대용량화하는 일 없이, 수명을 고려한 적정 범위로 축전 장치의 축전량이 제어되는 하이브리드식 건설 기계를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은, 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체를 구동하는 전동 모터 및 유압 모터와, 상기 선회체를 구동하기 위해 오퍼레이터가 조작하는 선회용 조작 레버와, 상기 전동 모터에 공급하기 위한 전기 에너지를 축적하는 축전 장치와, 상기 선회용 조작 레버의 조작량 및 조작 방향에 따른 신호를 입력하여, 상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는 상기 축전 장치의 축전량에 관하여, 상기 선회체의 선회 속도에 따라서 설정되는 방전 지령 영역을 기억하는 기억부와, 상기 축전 장치의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 방전 지령 영역에 이르렀을 때에는, 상기 축전 장치의 축전량에 따라서 상기 전동 모터의 역행량을 증가시키기 위한 상기 전동 모터의 추가 구동 토크 지령값을 연산하여, 상기 선회체를 구동하기 위해 상기 추가 구동 토크 지령값을 상기 전동 모터측에 출력하는 연산부를 구비한 것으로 한다.

또한, 제2 발명은, 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체를 구동하는 전동 모터 및 유압 모터와, 상기 선회체를 구동하기 위해 오퍼레이터가 조작하는 선회용 조작 레버와, 상기 전동 모터에 공급하기 위한 전기 에너지를 축적하는 축전 장치와, 상기 선회용 조작 레버의 조작량 및 조작 방향에 따른 신호를 입력하여, 상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는 상기 축전 장치의 축전량에 관하여, 상기 선회체의 선회 속도에 따라서 설정되는 충전 지령 영역을 기억하는 기억부와, 상기 축전 장치의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 충전 지령 영역에 이르렀을 때에는, 상기 축전 장치의 축전량에 따라서 상기 전동 모터의 회생량을 증가시키기 위한 상기 전동 모터의 추가 구동 토크 지령값을 연산하여, 상기 선회체를 제동하기 위해 상기 추가 구동 토크 지령값을 상기 전동 모터측에 출력하는 연산부를 구비한 것으로 한다.

또한, 제3 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 축전 장치의 축전량에 관하여, 당해 축전 장치의 최적의 사용 범위인 통상 사용 영역을 더 기억하는 기억부와, 상기 축전 장치의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 통상 사용 범위 내에 있을 때에는, 상기 선회용 조작 레버의 조작량 및 조작 방향에 따른 상기 선회체의 구동과 제동을 행하기 위한 토크 지령값을 연산하여, 상기 토크 지령값을 상기 전동 모터측에 출력하는 연산부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제4 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 추가 구동 토크 지령값과 상기 선회용 조작 레버의 조작량 및 조작 방향에 따른 상기 선회체의 구동과 제동을 행하기 위한 토크 지령값으로부터 전동 모터 토크 지령을 연산하여, 상기 전동 모터 토크 지령을 상기 전동 모터측에 출력하는 유압 전동 복합 제어 수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 제5 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 축전 장치의 축전량에 따라서 연산되는 상기 전동 모터의 추가 구동 토크 지령값은 상기 선회체의 구동 또는 제동과 동일한 조건에 있어서 상기 축전량에 따라서 변동되지만, 그 변동 토크 폭은 상기 선회체의 구동 또는 제동과 동일한 조건에 있어서의 상기 전동 모터의 토크와 상기 유압 모터의 토크를 가산한 합계 토크의 표준값에 대해, 20％ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 선회 전동 모터의 토크를 기준값에 대해 추가한 토크 지령 신호에 의해 선회 전동 모터를 구동 제어할 수 있으므로, 축전 장치의 축전량을 수명이 고려된 적정 범위 내로 관리할 수 있다. 이 결과, 축전 장치의 대용량화와 그 설치 스페이스의 확보가 불필요해지는 동시에, 종래 방식의 건설 기계와 손색이 없는 선회 동작의 조작성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 적용한 유압 셔블의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태의 시스템 구성 및 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 레버 조작량과 유압 모터 및 전동 모터의 구동 토크의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 에너지 매니지먼트 제어 수단의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 컨트롤러에 기억되는 통상 사용 영역, 회생 금지 영역 및 선회 금지 영역 및 방전 지령 및 충전 지령을 설명하는 특성도이다.
도 7은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 선회 전동 모터의 토크 지령값을 산출하는 처리 플로우를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 캐패시터 전압에 대한 추가 요구 출력 지령값의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 9는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 선회체의 기동으로부터 정지에 이르기까지의 유압 모터 토크와, 선회 전동 모터 토크와, 추가 토크의 변화를 도시하는 특성도이다.
도 10a는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 유압 단독 모드 전환 요구의 출력예(회생 금지 플래그 설정예)를 도시하는 특성도이다.
도 10b는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 유압 단독 모드 전환 요구의 출력예(선회 금지 플래그 설정예)를 도시하는 특성도이다.

이하, 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 크레인 차 등, 그 밖의 건설 기계에도 적용 가능하다. 도 1은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 적용한 유압 셔블의 측면도, 도 2는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성도, 도 3은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태의 시스템 구성 및 제어 블록도, 도 4는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 레버 조작량과 유압 모터 및 전동 모터의 구동 토크의 관계를 도시하는 특성도이다.

도 1에 있어서, 유압 셔블은 주행체(10)와, 주행체(10) 상에 선회 가능하게 설치한 선회체(20) 및 셔블 기구(30)를 구비하고 있다.

주행체(10)는 좌우 한 쌍의 크롤러(11) 및 크롤러 프레임(12)(도 1에서는 편측만을 도시함), 각 크롤러(11)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, 선회 전동 모터(25) 및 선회 유압 모터(27)와, 선회 전동 모터(25)에 접속되는 축전 장치인 캐패시터(24)와, 선회 전동 모터(25)와 선회 유압 모터(27)의 회전을 감속하는 감속 기구(26) 등으로 구성되어, 선회 전동 모터(25)와 선회 유압 모터(27)의 구동력이 감속 기구(26)를 통해 전달되고, 그 구동력에 의해 주행체(10)에 대해 선회체(20)[선회 프레임(21)]를 선회 구동시킨다.

또한, 선회체(20)에는 셔블 기구(프론트 장치)(30)가 탑재되어 있다. 셔블 기구(30)는 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), 선회 유압 모터(27), 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)(도 2) 및 각 액추에이터를 구동 제어하기 위한 컨트롤 밸브(42)(도 2)를 포함하고, 유압 펌프(41)는 엔진(22)에 의해 구동된다.

다음에, 유압 셔블의 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성에 대해 개략 설명한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(22)의 구동력은 유압 펌프(41)에 전달되어 있다. 컨트롤 밸브(42)는 선회용 조작 레버 장치(72)(도 3 참조)로부터의 선회 조작 지령(유압 파일럿 신호)에 따라서, 선회 유압 모터(27)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다. 또한, 컨트롤 밸브(42)는 선회 이외의 조작 레버 장치(73)(도 3 참조)로부터의 조작 지령(유압 파일럿 신호)에 따라서, 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 및 주행용 유압 모터(13, 14)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다.

또한, 본 실시 형태에 관한 컨트롤 밸브(42)는 선회 조작 레버의 조작량이 중간 영역(중립과 최대 사이)일 때의 블리드 오프 개구 면적을 통상기보다도 크게 하고, 조작량이 중간 영역에서의 선회 유압 모터(27)의 구동 토크[선회체(20)를 구동하는 방향의 토크]가 통상기보다도 작아지도록 하고 있다. 또한, 이 컨트롤 밸브(42)는 선회용 조작 레버 장치(72)의 조작량이 중간 영역일 때의 미터 아웃 개구 면적을 통상기보다도 크게 하고, 조작량이 중간 영역에서의 선회 유압 모터(27)의 제동 토크[상부 선회체(20)를 제동하는 방향의 토크]가 통상기보다도 작아지도록 하고 있다.

선회 제어 시스템은, 도 2에 도시한 바와 같이 조작 레버 장치(72)(도 3 참조)로부터의 지령에 따른 제어 신호를 상술한 컨트롤 밸브(42)와, 캐패시터(24)의 충방전을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(55)에 출력하는 컨트롤러(80)가 구비되어 있다. 파워 컨트롤 유닛(55)은 초퍼(51), 인버터(52), 평활 콘덴서(54) 등을 갖고, 메인 콘택터(56)는 메인 릴레이(57), 돌입 전류 방지 회로(58) 등을 갖고 있다.

캐패시터(24)로부터의 직류 전력은 초퍼(51)에 의해 소정의 모선 전압으로 승압되어, 선회 전동 모터(25)를 구동하기 위한 인버터(52)에 입력된다. 평활 콘덴서(54)는 모선 전압을 안정화시키기 위해 설치되어 있다. 선회 전동 모터(25)와 선회 유압 모터(27)의 회전축은 결합되어 있고, 감속 기구(26)를 통해 선회체(20)를 구동한다. 선회 전동 모터(25)의 구동 상태(역행하고 있는지 회생하고 있는지)에 따라서, 캐패시터(24)는 충방전되게 된다.

다음에, 본 발명에 의한 선회 제어를 행하는 데 필요한 디바이스나 제어 수단, 제어 신호 등을 도 3을 사용하여 더욱 상세하게 설명한다.

유압 셔블은 엔진(22)을 시동하기 위한 이그니션 키(70)와, 작업 중지 시에 파일럿압 차단 밸브(76)를 ON으로 하여 유압 시스템의 작동을 불능으로 하는 게이트 로크 레버 장치(71)를 구비하고 있다. 또한, 유압 셔블은 상술한 컨트롤러(80)와, 컨트롤러(80)의 입출력에 관한 유압ㆍ전기 변환 장치(74a, 74bL, 74bR), 전기ㆍ유압 변환 장치(75a, 75b, 75c, 75d) 및 유압 단독 선회 모드 고정 스위치(77)를 구비하고, 이들은 선회 제어 시스템을 구성한다. 유압ㆍ전기 변환 장치(74a, 74bL, 74bR)는, 각각, 예를 들어 압력 센서이고, 전기ㆍ유압 변환 장치(75a, 75b, 75c, 75d)는, 예를 들어 전자기 비례 감압 밸브이다.

컨트롤러(80)는, 도 3에 도시한 바와 같이 이상 감시ㆍ이상 처리 제어 블록(수단)(81), 에너지 매니지먼트 제어 블록(수단)(82), 유압 전동 복합 선회 제어 블록(수단)(83), 유압 단독 선회 제어 블록(수단)(84) 및 유압 전동 복합 선회 제어 블록(수단)(83)과 유압 단독 선회 제어 블록(수단)(84)의 전환 수단(85)으로 이루어진다.

이상 감시ㆍ이상 처리 제어 블록(81)에는 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 출력되는 에러ㆍ고장ㆍ경고 신호가 입력된다. 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)은 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 출력되는 캐패시터 잔량 신호와 초퍼 전류 신호와 선회 모터 속도와, 컨트롤 밸브(42)로부터 출력되어, 압력→전기 신호 변환 디바이스(예를 들어, 압력 센서)(74bL, 74bR)에 의해 전기 신호로 변환된 선회 작동압을 입력하고, 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)으로의 추가 토크 요구와, 전환 수단(85)으로의 유압 단독 선회 모드로 전환하기 위한 요구를 출력한다.

유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)은 선회 조작 레버(72)로부터 출력되어, 유압→전기 신호 변환 디바이스(예를 들어, 압력 센서)(74a)에 의해 전기 신호로 변환된 선회 파일럿압 신호와, 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 출력되는 선회 모터 속도와, 컨트롤 밸브(42)로부터 출력되어, 압력→전기 신호 변환 디바이스(예를 들어, 압력 센서)(74bL, 74bR)에 의해 전기 신호로 변환된 선회 작동압을 입력하고, 파워 컨트롤 유닛(55)으로의 선회 전동 모터 토크 지령과, 유압 펌프(41)로의 펌프 흡수 토크 보정 지령과, 컨트롤 밸브(42)로의 선회 유압 모터 출력 토크 감소 지령을 출력한다. 또한, 펌프 흡수 토크 보정 지령과, 선회 유압 모터 출력 토크 감소 지령은 전기→압력 신호 변환 디바이스(예를 들어, 전자기 비례 밸브)(75a, 75b)에 의해 유압 파일럿 신호로 변환된 신호가 유압 펌프(41)나 컨트롤 밸브(42)에 입력되어 있다.

유압 단독 선회 제어 블록(84)은 선회 조작 레버(72)로부터 출력되어, 유압→전기 신호 변환 디바이스(74a)에 의해 전기 신호로 변환된 선회 파일럿압 신호를 입력하고, 컨트롤 밸브(42)로, 유압 선회 특성 보정 지령과, 선회 파일럿압 보정 신호를 전기→압력 신호 변환 디바이스(75c, 75d)를 통해 출력한다. 전환 수단(85)은, 후술하는 바와 같이 선회체(20)의 구동 상태 및 캐패시터(24)의 축전량에 따라서 컨트롤러(80)가 자동적으로 전환하는 것 외에, 컨트롤러(80)에 부설된 유압 단독 선회 모드 고정 스위치(77)에 의해, 수동으로 전환할 수도 있다.

시스템 전체에 이상이 없고, 선회 전동 모터(25)가 구동 가능한 상태에서는, 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)에 의해, 선회체(20)의 선회 제어가 행해진다. 즉, 오퍼레이터가 선회 조작 레버(72)를 조작하면, 그 조작 방향 및 조작량에 따른 유압 파일럿 신호가 발생하여, 컨트롤 밸브(42)에 입력되는 동시에, 유압→전기 신호 변환 디바이스(74a)를 통해 컨트롤러(80)에도 전기 신호로 변환된 선회 파일럿압 신호가 입력된다. 이에 의해, 선회 유압 모터(27)용 컨트롤 밸브가 개방되어, 선회 유압 모터(27)가 구동되는 동시에, 선회 전동 모터(25)가 캐패시터(24)로부터의 전력 공급을 받아 구동된다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 컨트롤 밸브(42)는, 구동 시에는 선회 조작 레버(72)의 조작량이 중간 영역일 때의 블리드 오프 개구 면적을 통상기보다도 크게 하여 구동 토크를 작게 하고 있고, 제동 시에 있어서도, 선회 조작 레버(72)의 조작량이 중간 영역일 때의 미터 아웃 개구 면적을 통상기보다도 크게 하여 제동 토크를 작게 하고 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 유압 시스템(40)에서는 선회 유압 모터(27)의 구동 토크가 종래의 유압기보다도 작아진다. 컨트롤러(80)는 이 선회 유압 모터(27)의 구동 토크의 저하분을 보충하는 구동 토크로 선회 전동 모터(25)를 구동하는 데 충분한 선회 전동 모터 토크 지령을 산출한다. 도 4에 선회 조작 레버(72)의 조작량에 따른 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 Tms1 및 선회 유압 모터(27)의 구동 토크 Tmo를 모식적으로 도시한다.

유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)은 선회 조작 레버(72)의 조작량에 따른 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 Tms1 및 선회 유압 모터(27)의 구동 토크 Tmo에, 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)으로부터 요구되는 추가 토크를 가산하여, 파워 컨트롤 유닛(55)에 선회 전동 모터 토크 지령을 출력한다. 추가 토크는 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 Tms1에 추가되는 것이다. 추가 토크를 가미한 선회 전동 모터 토크 지령의 산출 방법에 대해서는, 이후에 설명한다.

선회 전동 모터(25)가 가속 시에 소비하는 전기 에너지와 감속 시에 회생하는 전기 에너지의 차에 의해, 캐패시터(24)의 축전량은 증감한다. 이 캐패시터(24)의 축전량을 적정한 범위로 제어하는 것이 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)이고, 선회 전동 모터(25)에 추가하는 토크를 조정함으로써, 캐패시터(24)의 축전량을 적정한 범위로 유지하는 제어를 행한다.

다음에, 컨트롤러(80)의 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)의 처리 내용을 도 5와 도 6을 사용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 에너지 매니지먼트 제어 수단의 구성도, 도 6은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태를 구성하는 컨트롤러에 기억되는 통상 사용 영역, 회생 금지 영역 및 선회 금지 영역 및 방전 지령 및 충전 지령을 설명하는 특성도이다. 도 5 및 도 6에 있어서, 도 1 내지 도 4에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 5에 도시하는 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)의 처리는 유압 전동 복합 선회 제어부(83)에서 산출한 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 또는 회생 토크에 의한 캐패시터(24)의 충방전만으로는, 캐패시터(24)의 축전량을 소정의 범위로 유지할 수 없는 경우, 오퍼레이터에게 선회 감촉의 위화감을 부여하지 않는 범위의 토크를 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 또는 제동 토크에 추가하여, 캐패시터(24)의 축전량을 조절하는 것이다.

본 실시 형태에 있어서는, 캐패시터 목표 전압 Vc*에 대해, 선회 전동 모터(25)의 추가 토크를 산출하여, 선회 전동 모터(25)를 역행 동작 혹은 회생 동작시킴으로써 캐패시터 전압 Vc를 제어한다. 캐패시터 목표 전압 Vc*은 상부 선회체(20)의 운동 에너지에 의존하도록 설정한다. 여기서는, 도 6에 도시한 바와 같이 캐패시터(24)의 목표 전압 Vc*을, 충전 지령 VL*、 방전 지령 VH*로서 미리 설정하여, 선회 속도에 따른 테이블로서 기억부에 보유 지지하고 있다. 예를 들어, 선회 역행 동작 시에 있어서는, 운동 에너지가 작은 경우보다도 운동 에너지가 큰 경우, 즉 선회 속도가 큰 경우의 쪽이, 회생 동작 시에 얻어지는 회생 에너지가 커지므로, 그것에 대비하여 캐패시터의 충전 상태를 낮게 하도록, 캐패시터 목표 전압 Vc*을 낮게 설정하고 있다. 회생 동작 시에 있어서도 마찬가지로, 운동 에너지가 작은 경우, 즉 선회 속도가 작아짐에 따라서, 다음의 역행 동작에 대비하여 캐패시터의 충전 상태를 높게 해 두도록, 캐패시터 목표 전압 Vc*을 높게 설정하고 있다.

또한, 도 6은 도 5에 도시하는 제어 블록(100)의 함수 발생기가 정의하는 테이블(1)의 내용을 도시하고 있고, Vmax는 회생 금지 영역을 규정하는 캐패시터 전압, Vhigh는 통상 사용 영역의 최대 전압을 규정하는 캐패시터 전압, Vlow는 통상 사용 영역의 최소 전압을 규정하는 캐패시터 전압, Vmin은 선회 금지 영역을 규정하는 캐패시터 전압을 각각 나타내고 있다.

이상과 같은 캐패시터 목표 전압 Vc*을 설정함으로써, 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)에 있어서의 연산부는, 도 6에 있어서 선회 속도가 Wx일 때에, 캐패시터 전압 Vc가 (Vh_x＋α)보다도 높은 경우에는, 선회 전동 모터(25)의 토크는 미리 설정한 최대 출력(역행측)에서 추가되도록 제어된다. 또한, 선회 속도가 Wx일 때에 캐패시터 전압 Vc가 (Vl_x－β)보다도 낮은 경우에는, 선회 전동 모터(25)의 토크는 미리 설정한 최대 출력(회생측)에서 추가되도록 제어된다. 또한, 캐패시터 전압 Vc가 Vl_x≤Vc≤Vh_x인 경우에는, 선회 전동 모터(25)의 토크는 추가되지 않고(추가량이 0으로 됨), 선회 전동 모터(25)의 역행 동작과 회생 동작에 따른 전기 에너지가 캐패시터(24)에 충방전되게 된다.

도 6에 있어서, 캐패시터(24)로의 충전 지령과 방전 지령을 의미하는 캐패시터 목표 전압 VL* 및 VH*은 캐패시터(24)의 통상 사용 영역을 유효하게 사용하도록 설정해야 한다. 즉, 수명의 관점으로부터, 캐패시터(24)를 적정하게 사용하기 위한 전압 범위를 통상 사용 영역으로 한 경우에, 캐패시터 전압 Vc가 최소 전압 Vmin으로부터 최대 전압 Vmax의 범위 내를 최대한으로 사용할수록, 전기 에너지를 유효하게 활용할 수 있어, 효율이 향상된다. 따라서, 회생 에너지를 얻어 충전되었을 때의 캐패시터 전압이 Vmax에 가깝고, 역행 동작에 의해 방전되었을 때의 캐패시터 전압이 Vmin에 가까울수록 에너지 효율은 향상된다.

단, 실제로는, 예를 들어 경사지 등에서의 선회 작업으로 회생에 의한 캐패시터(24)로의 충전이 계속되는 경우나, 누르기 작업 등으로 캐패시터(24)로부터의 방전이 계속되는 경우 등을 고려하여, 회생 에너지 여유값 Ex1이나, 역행 에너지 여유값 Ex2를 설정하고, 여유를 갖게 하여 캐패시터 목표 전압 VL* 및 VH*을 설정한다. 이 시스템에 따르면, 후술하는 바와 같이, 캐패시터 잔량이 소정의 범위로부터 벗어난 경우에 있어서도, 유압 모터 단독 모드로의 전환이 가능하므로, 회생 에너지 여유값 Ex1 및 역행 에너지 여유값 Ex2를 작은 값으로 설정할 수 있어, 캐패시터(24)의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 최대 전압 Vmax 이상의 전압 범위는 선회 전동 모터(25)로부터 회생되는 전기 에너지의 충전이 금지되는 회생 금지 영역이고, 최소 전압 Vmin 이하의 전압 범위는 선회 전동 모터(25)를 역행 구동에 의한 선회 작업이 금지되는 선회 금지 영역이다. 컨트롤러(80)는 이들 도 6에 도시하는 통상 사용 영역, 회생 금지 영역 및 선회 금지 영역을 기억하고 있다.

도 5에 있어서, 제어 블록(100)의 함수 발생기는 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 출력되는 선회 모터 속도를 입력하고, 상술한 캐패시터 목표 전압 Vc*을 출력한다. 또한, 제어 블록(103)은 캐패시터 전압의 보정 연산을 행하는 보정 연산기이며, 구체적으로는 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 출력되는 캐패시터(24)의 전압 검출값 Vc와 초퍼 검출 전류를 입력하고, 내부 저항값에 의한 전압 강하분을 보정한 캐패시터 전압을 출력한다. 제어 블록(101)은 편차 연산기이며, 제어 블록(100)의 출력과 제어 블록(103)의 출력을 입력하고, 이들의 편차를 제어 블록(102)의 제어 연산기에 출력하고 있다. 제어 블록(102)의 제어 연산기는 미리 정한 비례 게인을 입력값에 곱하여 캐패시터(24)로부터 충방전해야 할 출력을 연산하고 있다. 제어 블록(104)은 선회 모터 추가 요구 토크 연산 처리를 행하는 연산기이고, 제어 블록(102)의 출력과 파워 컨트롤 유닛(55)으로부터 출력되는 선회 모터 속도를 입력하여 선회 모터 추가 토크 지령을 산출하고 있다. 구체적으로는, 제어 블록(102)에서 산출된 출력을 선회 전동 모터(25)의 회전 속도로 나누어 선회 모터 추가 토크 지령으로 환산하고, 이 선회 모터 추가 토크 지령을 유압 전동 복합 선회 제어부(83)에 출력하고 있다.

다음에, 제어 블록(104)의 선회 모터 추가 요구 토크 연산 처리의 처리 내용에 대해 도 7 및 도 8을 사용하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 선회 전동 모터의 토크 지령값을 산출하는 처리 플로우를 도시하는 흐름도, 도 8은 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 캐패시터 전압에 대한 추가 요구 출력 지령값의 관계를 도시하는 특성도이다. 도 7 및 도 8에 있어서, 도 1 내지 도 6에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

우선, 도 7의 스텝(S100)에서는, 선회 유압 모터(27)의 유압 모터 토크 Tmo를 계산한다. 구체적으로는, 선회 유압 모터(27)의 작동유의 입구와 출구의 2개의 포트에 설치된 압력→전기 신호 변환 디바이스(예를 들어, 압력 센서)(74bL, 74bR)로부터의 선회 작동 압력의 신호를 도입하여, 이들의 차를 연산함으로써 유압 모터 토크 Tmo를 산출하고 있다.

다음에, 스텝(S101)에서는, 선회 유압 모터(27)가 구동하고 있는 것인지 제동하고 있는 것인지를 판단한다. 구체적으로는, 예를 들어, 검출된 선회 모터 속도와 선회 작동 압력의 변화 상태량을 비교 연산함으로써 판단한다. 선회 유압 모터(27)가 구동 상태라고 판단되면, YES라고 판단되어 스텝(S102)으로 진행하고, 제동 상태라고 판단되면, NO라고 판단되어 스텝(S103)으로 진행한다.

스텝(S102)에서는, 구동 시의 전동 모터 토크 지령값 Tms1을 계산한다. 구체적으로는, 선회 조작량에 따라서 설정하고 있는 구동 게인 테이블을 사용하여 게인을 산출하고, 산출한 구동 게인과 스텝(S100)에서 산출한 유압 모터 토크 Tmo를 승산하여 전동 모터 토크 지령값 Tms1을 계산하고 있다.

스텝(S103)에서는, 제동 시의 전동 모터 토크 지령값 Tms1을 계산한다. 구체적으로는, 선회 조작량에 따라서 설정하고 있는 제동 게인 테이블을 사용하여 게인을 산출하고, 산출한 제동 게인과 스텝(S100)에서 산출한 유압 모터 토크 Tmo를 승산하여 전동 모터 토크 지령값 Tms1을 계산하고 있다. 이들의 전동 모터 토크 지령값 Tms1은 종래 기계의 유압 모터만으로 선회체를 구동하는 경우의 토크와 대략 동일해지도록 설정되어 있다. 따라서, 산출한 전동 모터 토크 지령값 Tms1은, 도 4에 도시한 바와 같이, 선회 조작 레버의 조작량이 중간 영역일 때에 커지도록 설정되어 있다.

스텝(S104)에서는 추가 요구 토크 Tadd를 계산한다. 구체적으로는, 캐패시터(24)의 충전 상태를 도시하는 캐패시터 전압 Vc에 따라서 입출력해야 할 충방전 전력을 산출하고, 이 충방전 전력을 선회 속도로 제산하여 추가 요구 토크 Tadd를 산출하고 있다. 도 8에, 캐패시터 전압 Vc에 대해 추가 요구 출력 지령을 설정하는 테이블을 도시한다. 선회 구동 시(역행 동작)에 있어서는, 캐패시터 전압이 VH*이상에 있어서, 방전 가능한 파워 Paddmax[㎾] 이하에서 방전하도록 추가 요구 출력을 설정하고 있다. 또한, 선회 제동 시(회생 동작)에 있어서는, 캐패시터 전압이 VL* 이하에 있어서, 충전 가능한 파워 Paddmin[㎾] 이하에서 충전하도록 추가 요구 출력을 설정하고 있다.

다음에, 스텝(S105)에서는 스텝(S104)에서 산출한 추가 요구 토크 Tadd가 미리 설정한 상한값 Tadd1보다 작은지 여부의 판단을 행한다.

스텝(S105)에서, 추가 요구 토크 Tadd가 미리 설정한 상한값 Tadd1보다 작은 경우 YES라고 판단되어 스텝(S106)으로 진행하고, 상한값 Tadd1과 동등하거나 큰 경우 NO라고 판단되어 스텝(S107)으로 진행한다.

스텝(S106)에서는 추가 요구 토크 Tadd를 스텝(S104)에서 산출한 값으로 한다.

스텝(S107)에서는 추가 요구 토크 Tadd를 미리 설정한 상한값 Tadd1로 한다. 이 상한값 Tadd1은 추가 요구 토크 Tadd와 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 Tms1의 가산값으로 선회 전동 모터(25)를 구동했을 때에, 오퍼레이터가 느끼는 선회 감촉과, 추가 요구 토크 Taad가 가산되어 있지 않은 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 Tms1로 선회 전동 모터(25)를 구동했을 때에, 오퍼레이터가 느끼는 선회 감촉에 차가 발생하지 않는 범위로 설정되어 있다. 발명자들의 실험에 따르면, 선회 전동 모터(25)의 구동 토크 Tms1에 대해, 20％ 정도의 토크를 추가해도, 대부분의 오퍼레이터는 선회 감촉에 위화감을 갖지 않는 것이 판명되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 추가 요구 토크의 상한값 Tadd1을 스텝(S102) 또는 스텝(S103)의 어느 하나에서 산출한 유압 모터 토크 지령값 Tms1에 게인 K1을 곱하여 얻은 값으로 하고 있다. 즉, Tadd1＝K1ㆍTms1로 하고, K1을 0.2로 하고 있다.

스텝(S108)에서는 스텝(S106) 또는 스텝(S107) 중 어느 하나에서 산출한 추가 토크 요구 Tadd를 기초로 전동 모터 토크 지령값 Tms2를 산출한다. 구체적으로는, 상술한 유압 모터 토크 지령값 Tms1에 추가 요구 토크 Tadd를 가산하여 전동 모터 토크 지령값 Tms2(＝Tms1＋Tadd)를 산출하고 있다.

산출된 전동 모터 토크 지령값 Tms2는, 도 3에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(80)의 유압 전동 복합 선회 제어 블록(83)으로부터 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력되어 있다.

다음에, 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태의 동작에 대해 도 9를 사용하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 선회체의 기동으로부터 정지에 이르기까지의 유압 모터 토크와, 선회 전동 모터 토크와, 추가 토크의 변화를 도시하는 특성도이다.

도 9는 선회체(20)의 기동으로부터 정지에 이르기까지의 유압 모터 토크 Tmo 및 선회 전동 모터 토크 Tms1과, 선회 전동 모터 토크 Tms1에 추가되는 추가 토크 Tadd의 변화를 도시한다. 시각 t0으로부터 시각 t5까지의 캐패시터 축전 상태에 따른 선회 모터(25, 27)의 각 토크에 대해 설명한다. 상단의 레버 조작량에 있어서의 (A)와 (B)의 표시는 오퍼레이터에 의해 (A)와 (B)와 동일한 레버 조작량의 선회 조작이 행해진 것을 도시한다.

(1) 선회 조작 레버의 조작을 개시한 시각 t0에 있어서는, 캐패시터 축전 상태가 높기 때문에, 추가 토크 Tadd는 커지고, 선회 전동 모터(25)가 최종적으로 출력하는 토크(선회 전동 모터 토크)는 기준이 되는 선회 전동 모터 토크 Tms1에 Tadd를 추가한 분(Tms1＋Tadd)이 된다.

(2) 시각 t1로부터 t2에 있어서는, 레버 조작에 기초하는 동일한 처리에 의해, 선회 전동 모터(25)로 회생하는 선회 전동 모터 토크 Tms1이 출력된다.

(3) 다음에, (A)와 동일한 레버 조작량의 선회 조작(B)이 개시된 시각 t3에서는, 캐패시터 축전 상태가 통상 영역의 범위 내에서도 비교적 낮은 것을 나타내고 있다. 이 경우에는, 기준이 되는 선회 전동 모터 토크 Tms1에 토크를 추가하지 않고, 선회 전동 모터 토크 Tms1을 최종적으로 출력하는 토크로서 출력하고 있다.

(4) 이상으로부터, 시각 t0으로부터 t1의 역행 시에 출력하는 역행 에너지는 시각 t3으로부터 t4의 역행 시에 출력하는 역행 에너지보다도 커진다.

이와 같은 제어를 행함으로써, 캐패시터(24)의 축전 상태를 적정한 범위로 관리하기 쉬워져, 이하에 설명하는 유압 단독 선회 모드로의 전환을 가능한 한 줄일 수 있다. 또한, 캐패시터(24)의 용량을 작게 한 시스템 구성을 실현할 수 있다. 또한, 오퍼레이터에게 조작상의 위화감을 부여하지 않고, 에너지도 유효하게 활용할 수 있어, 연비를 향상시킬 수 있다.

다음에, 도 5로 돌아가 유압 단독 모드 전환 요구 연산 처리를 행하는 연산기인 제어 블록(105)에 대해 설명한다. 선회 전동 모터(25)의 토크를 추가해도, 캐패시터(24)의 축전량이 소정의 범위 내에 들어가지 않는 경우, 선회 전동 모터(25)의 구동과 제동에 의한 캐패시터(24)로의 충방전을 방지하기 위해, 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 모드로 전환한다. 도 5에 있어서, 제어 블록(105)의 연산기는 제어 블록(103)의 출력인 보정된 캐패시터 전압을 입력하고, 유압 단독 모드 전환 요구를 도 3에 도시하는 컨트롤러(80)의 전환 수단(85)에 출력한다. 유압 단독 모드로의 전환은 캐패시터(24)의 축전 상태에 기초하여 행하도록 설정하고, 축전량이 많은 경우에는 회생 금지 플래그, 축전량이 적은 경우에는 선회 금지 플래그를 각각 2단계에서 출력하고 있다.

회생 금지 플래그 및 선회 금지 플래그의 설정예에 대해 도 10a 및 도 10b를 사용하여 설명한다. 도 10a는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 유압 단독 모드 전환 요구의 출력예(회생 금지 플래그 설정예)를 도시하는 특성도, 도 10b는 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 있어서의 유압 단독 모드 전환 요구의 출력예(선회 금지 플래그 설정예)를 도시하는 특성도이다. 도 10a 및 도 10b에 있어서, 도 1 내지 도 9에 나타내는 부호와 동일한 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 10a에 있어서, 캐패시터 전압이 상승하여, 회생 금지 영역의 임계값 Vmax에 이른 경우에는, 회생 금지 요구 플래그가 ON으로 되어, 유압 단독 모드로 전환된다. 그 후, 자기 방전 등에 의해 캐패시터 전압이 통상 사용 영역의 중앙값 Vcent까지 하강 복귀한 단계에서, 회생 금지 플래그가 OFF로 되어, 유압 단독 모드가 해제된다.

도 10b에 있어서, 캐패시터 전압이 하강하여, 선회 금지 영역의 임계값 Vmin에 이른 경우에는, 선회 금지 플래그가 ON으로 되어, 유압 단독 모드로 전환된다. 이 경우에는, 작업은 유압 단독 모드로 작업을 계속하는 것이 가능하다. 다시 유압 전동 복합 제어를 가능하게 하기 위해서는, 캐패시터(24)의 축전량을 소정의 범위 내가 되도록 충전할 필요가 있다. 이 충전 방법으로서는, 예를 들어, 별도 충전 회로를 설치하여 외부로부터 충전하는 방법과, 소정의 작업 모드(충전 모드)를 설치하여 선회 전동 모터(25)를 사용하여 충전하는 방법이 생각되고, 어느 하나의 방법이 사용되면 된다. 또한, 상술한 각 플래그의 ON, OFF는 가능한 한 조작 중의 쇼크를 저감시키기 위해, 선회 동작 및 조작이 행해지고 있지 않은 타이밍이 온 단계에서 그 전환이 이루어져 있다.

또한, 도 10a, 도 10b에 설명한 제어에 추가하여, 캐패시터 전압이, 회생 금지 영역의 임계값 Vmax 이상의 소정의 전압값, 예를 들어 Vfull에 이른 단계에서, 제2 회생 금지 플래그를 ON으로 전환한다고 하는 제어 방법을 취할 수도 있다. 캐패시터 전압이 Vfull에 이르는 상태라 함은, 캐패시터(24)에 이상이 발생한 경우라고 판단되므로, 이 제2 회생 금지 플래그의 OFF로부터 ON으로의 전환은, 선회 동작이 행해지고 있는지 여부에 관계없이 즉시 행해진다.

또한, 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로의 전환은, 상술한 에너지 매니지먼트 제어 블록(82)으로부터의 요구에 의해 행해지는 것 외에, 파워 컨트롤 유닛(55), 선회 전동 모터(25), 캐패시터(24) 등의 전동계에 이상이 발생한 경우에도 실시할 수 있다. 이 경우의 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로의 전환은 이상 감시ㆍ이상 처리 제어 블록(81)의 판단으로 행해진다.

유압 전동 복합 선회 모드와 유압 단독 선회 모드 사이의 모드 전환은 모드 전환 시에 유압 회로 상의 밸브의 전환 동작이 행해지는 것 등에 의해, 조작상 가벼운 쇼크가 발생할 가능성이 있으므로, 에러 신호의 내용이 심각하지 않고, 즉시 전환하는 긴급성이 없는 경우에는, 선회 동작 및 조작이 행해지지 않는 타이밍, 혹은 프론트도 포함시켜 조작이 전혀 행해져 있지 않은 아이들링 시 등에 행한다. 인버터의 과전류 이상 등, 시스템을 손상시킬 우려나 중대한 고장이나 재해로 연결될 우려가 있는 이상에 대해서는, 조작 중이라도, 즉시 전동계를 정지시켜, 유압 단독 선회 모드로 전환한다.

또한, 유압 단독 선회 제어 중에, 소정의 에러 처리에 의해, 혹은 자연스럽게 에러 신호가 해소된 경우에는, 선회 동작 및 조작이 행해지지 않는 타이밍, 혹은 프론트도 포함시켜 조작이 전혀 행해져 있지 않은 아이들링 시 등에 있어서, 유압 전동 복합 선회 모드로의 복귀 동작을 행한다.

이와 같이, 캐패시터 전압이 소정의 회생 금지값 또는 선회 금지값에 이르렀을 때, 상부 선회체(20)의 구동 모드를, 유압 전동 복합 선회 모드로부터 유압 단독 선회 모드로 전환하면, 상부 선회체(20)의 구동을 계속할 수 있으므로, 높은 작업성을 유지할 수 있다.

상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 따르면, 선회 전동 모터(25)의 토크를 기준값에 대해 추가하여 출력하는 제어를 실행하므로, 축전 장치인 캐패시터(24)의 축전량을 수명을 고려한 적정 범위 내로 관리할 수 있다. 이 결과, 축전 장치인 캐패시터(24)를 대용량화하지 않고, 종래 방식의 건설 기계와 위화감이 없는 선회 동작의 조작성을 구비한 하이브리드식 건설 기계를 제공할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 하이브리드식 건설 기계의 일 실시 형태에 따르면, 축전 장치인 캐패시터(24)의 축전량이 미리 설정된 회생 금지값 또는 선회 금지값에 이르렀을 때, 선회 전동 모터(25)에 의한 선회체(20)의 구동 및 제동을 정지하고, 이 선회체(20)의 구동 및 제동을 선회 유압 모터(27)만을 사용하여 행하는 방식으로 전환하므로, 건설 기계에 의한 작업을 계속적으로 행할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 선회 전동 모터(25)의 구동 시와 제동 시의 양쪽에 대해 캐패시터 전압에 대한 추가 요구 출력 지령을 설정하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 시스템에 따라서는, 구동 시 또는 제동 시의 어느 한쪽만으로 설정해도 된다.

10 : 주행체
11 : 크롤러
12 : 크롤러 프레임
20 : 선회체
21 : 선회 프레임
22 : 엔진
24 : 캐패시터
25 : 선회 전동 모터
26 : 감속 기구
27 : 선회 유압 모터
30 : 셔블 기구
31 : 붐
32 : 붐 실린더
33 : 아암
34 : 아암 실린더
35 : 버킷
36 : 버킷 실린더
40 : 유압 시스템
41 : 유압 펌프
42 : 컨트롤 밸브
51 : 초퍼
52 : 인버터
55 : 파워 컨트롤 유닛
72 : 선회 조작 레버
80 : 컨트롤러
82 : 에너지 매니지먼트 제어 블록
83 : 유압 전동 복합 선회 제어 블록
84 : 유압 단독 선회 제어 블록
85 : 전환 수단

Claims (5)

1. 엔진(22)과, 상기 엔진(22)에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와, 선회체(20)와, 상기 선회체(20)를 구동하는 전동 모터(25) 및 유압 모터(27)와, 상기 선회체(20)를 구동하기 위해 오퍼레이터가 조작하는 선회용 조작 레버(72)와, 상기 전동 모터(25)에 공급하기 위한 전기 에너지를 축적하는 축전 장치(24)와, 상기 선회용 조작 레버(72)의 조작량 및 조작 방향에 따른 신호를 입력하여, 상기 축전 장치(24)의 충방전을 제어하는 컨트롤러(80)를 구비하고,
   상기 컨트롤러(80)는 상기 축전 장치(24)의 축전량에 관하여, 당해 축전 장치(24)의 최적의 사용범위인 통상 사용 영역과, 상기 축전 장치(24)의 축전량에 관하여, 상기 선회체(20)의 선회 속도에 따라서 설정되는 상기 통상 사용 영역내에 있어서 방전 지령 특성(VH*)을 기억하는 기억부와,
   상기 축전 장치(24)의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 통상 사용 범위내에 있어서, 상기 방전 지령 특성(VH*)보다 낮은 때에는, 상기 선회용 조작 레버의 조작량 및 조작 방향에 따른 상기 선회체(20)의 구동과 제동을 행하기 위한 토크 지령값을 연산하여, 상기 토크 지령값을 상기 전동 모터측에 출력하고,
   상기 축전 장치(24)의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 방전 지령 특성(VH*)보다 높은 때에는, 상기 축전 장치(24)의 축전량에 따라서 상기 전동 모터(25)의 역행량을 증가시키기 위한 상기 전동 모터(25)의 추가 구동 토크 지령값을 연산하여, 상기 선회체(20)를 구동하기 위해 상기 추가 구동 토크 지령값을 상기 전동 모터(25)측에 출력하는 연산부를 구비한 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
2. 엔진(22)과, 상기 엔진(22)에 의해 구동되는 유압 펌프(41)와, 선회체(20)와, 상기 선회체(20)를 구동하는 전동 모터(25) 및 유압 모터(27)와, 상기 선회체(20)를 구동하기 위해 오퍼레이터가 조작하는 선회용 조작 레버(72)와, 상기 전동 모터(25)에 공급하기 위한 전기 에너지를 축적하는 축전 장치(24)와, 상기 선회용 조작 레버(72)의 조작량 및 조작 방향에 따른 신호를 입력하여, 상기 축전 장치(24)의 충방전을 제어하는 컨트롤러(80)를 구비하고,
   상기 컨트롤러(80)는 상기 축전 장치(24)의 축전량에 관하여, 당해 축전 장치(24)의 최적의 사용범위인 통상 사용 영역과, 상기 축전 장치(24)의 축전량에 관하여, 상기 선회체(20)의 선회 속도에 따라서 설정되는 상기 통상 사용 영역내에 있어서 충전 지령 특성(VL*)을 기억하는 기억부와,
   상기 축전 장치(24)의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 통상 사용 범위내에 있어서, 상기 충전 지령 특성(VL*)보다 높은 때에는, 상기 선회용 조작 레버의 조작량 및 조작 방향에 따른 상기 선회체(20)의 구동과 제동을 행하기 위한 토크 지령값을 연산하여, 상기 토크 지령값을 상기 전동 모터측에 출력하고,
   상기 축전 장치(24)의 축전량이 상기 기억부에 기억된 상기 충전 지령 특성(VL*)보다 낮은 때에는, 상기 축전 장치(24)의 축전량에 따라서 상기 전동 모터(25)의 회생량을 증가시키기 위한 상기 전동 모터(25)의 추가 구동 토크 지령값을 연산하여, 상기 선회체(20)를 제동하기 위해 상기 추가 구동 토크 지령값을 상기 전동 모터(25)측에 출력하는 연산부를 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
3. 제1항 또는 제2항에 기재된 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 컨트롤러(80)는 상기 추가 구동 토크 지령값과 상기 선회용 조작 레버(72)의 조작량 및 조작 방향에 따른 상기 선회체(20)의 구동과 제동을 행하기 위한 토크 지령값으로부터 전동 모터 토크 지령을 연산하여, 당해 전동 모터 토크 지령을 상기 전동 모터(25)측에 출력하는 유압 전동 복합 제어 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
4. 제1항 또는 제2항에 기재된 하이브리드식 건설 기계에 있어서, 상기 축전 장치(24)의 축전량에 따라서 연산되는 상기 전동 모터(25)의 추가 구동 토크 지령값은 상기 선회체(20)의 구동 또는 제동과 동일한 조건에 있어서 상기 축전량에 따라서 변동되지만,
   그 변동 토크 폭은 상기 선회체(20)의 구동 또는 제동과 동일한 조건에 있어서의 상기 전동 모터(25)의 토크와 상기 유압 모터(27)의 토크를 가산한 합계 토크의 표준값에 대해, 20％ 이하인 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설 기계.
   
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